科学家沸腾了！用伽马射线看月球！比太阳还要亮
近日，来自美宇航局的费米伽马射线太空望远镜公布了一张惊人的伽马射线月球照片，照片中的月亮完全颠覆了我们以往对月球的想象！
伽马射线是一种波长短于0.01埃的电磁波，有很强的穿透力，同时对细胞有杀伤力，医疗上用来治疗肿瘤。而在太空中产生的伽马射线是由恒星核心的核聚变产生的，因为无法穿透地球大气层，自然也无法到达地球的低层大气层，只能在太空中被探测到。而费米太空望远镜就是通过高能伽马射线观察宇宙，近日在观测月球时突然发现月球的真相：它实际上比太阳还要亮！
在这张图片中，来自月球的怪异、地狱般的光芒看起来是那么不真实，因为我们的眼睛是看不见的。但是探测伽马射线的仪器告诉我们它是真实存在的。这是一张颗粒状的红色图片，密密麻麻的全是高能辐射，严重提醒人们，任何访问月球的人都需要保护自己免受这种高能辐射，这时候我们不得不对那些登月的宇航员产生由衷的敬佩，但是又让人恐惧，这种恐怖的辐射或许也是月球目前没有发现生命的重要原因。
宇宙射线和伽马射线
美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜捕捉到了这些月球伽马射线的图像。在这部分电磁频谱中，月球实际上比太阳还要亮。这是因为太阳在光谱的其他部分产生大部分能量，尽管它确实会发射一些伽马射线，尤其是在太阳耀斑期间。但是我们太阳系中的大多数伽马射线来自遥远的世界，比如类星体和活动星系核(AGN)。月球是伽玛射线的间接来源，通过与宇宙射线的相互作用产生伽玛射线。
宇宙射线是一种高能辐射，大部分是在太阳系外产生的。它们是由超新星和活动星系核等物质产生的。当宇宙射线撞击物质时，比如月球表面，它们会产生伽马射线。意大利国家核物理研究所的马里奥·尼古拉·马齐奥塔和弗朗西斯科·洛帕尔科两位科学家一直在研究月球的伽马射线，希望能够通过它了解宇宙射线。宇宙射线是快速移动的粒子，它们的加速度取决于它们的来源，就像前面提到的超新星和AGN，它们主要是由宇宙中一些最具能量的现象加速的质子，比如物质落入黑洞时产生的爆炸恒星的冲击波和喷射流。
因为构成宇宙射线的粒子是带电的，因此当它们撞击磁场时，比如地球的磁层，它们大多会发生偏转。但是月球缺少磁场。因此，即使是最弱的宇宙射线也会直接撞击月球表面，从而产生伽马射线。月球实际上吸收了它产生的大部分伽马射线，但也有一些逃到了太空中。而费米望远镜可以看到它们，把月球变成一种偶然发现的粒子探测器。
随时间变化的伽马射线
但是月球伽马射线的强度并不总是一致，它随时间而变化。马齐奥塔和洛帕尔科收集了超过3100万电子伏特的月球伽马射线的数据，并把它们按时间顺序排列。电子伏特是可见光的1000万倍。这就产生了下面的图像，它显示了视图随着时间的推移而改善。
这些图片显示了美国宇航局费米伽马射线太空望远镜拍摄到的月球伽马射线辉光的图像正在稳步改善。每张5×5度的图像以月球为中心，显示能量超过3100万电子伏的伽马射线，是可见光的几千万倍。在这些能量下，月球实际上比太阳还要亮。较亮的颜色表示伽马射线的数量较多。这个图像序列显示了较长时间的曝光，从两个月到128个月(10.7年)。
月球发出这些伽马射线事实上是一个警示，美国宇航局的阿尔特弥斯计划将会有更多的宇航员在月球上停留更长时间。它们必须受到保护，不受撞击月球的宇宙射线和由此产生的月球伽马射线的伤害。
但是科学家表示宇宙射线、伽马射线、月球和太阳之间的相互作用相当复杂。伽马射线可以有不同的能级。例如，这些FGRST图像只捕捉到超过3100万电子伏(MeV)一定数量的伽马射线。但是伽马射线的能量远不止这些，它的能量可以达到数十亿甚至数万亿微电子伏。
由于宇宙射线的电荷意味着它们可以被磁场偏转，而太阳有一个强大的磁场，只有最强大的才能击中太阳。反过来，这些强大的宇宙射线撞击了太阳大气层的致密部分，产生了非常强大的伽马射线。所以太阳在超过10亿电子伏的伽马射线中比月球更亮。
太阳的11年周期也影响着撞击月球的宇宙射线，以及由此产生的伽马射线。在这个周期中，太阳的磁场会发生变化。因此，有时撞击月球的宇宙射线比其他时候更多。撞击月球表面的宇宙射线的变异性造成了月球伽马射线的变异性。根据费米的数据，它可以变化20%。
而在在太阳11年的周期中，太阳磁场的强度和复杂程度各不相同。这一对比显示了2011年1月(左)至2014年7月太阳磁场的相对复杂性。2011年1月，也就是太阳活动极小期后的第三年，这个磁场仍然相对简单，开阔的磁场线主要集中在两极附近。在2014年7月的太阳活动高峰期，这个结构要复杂得多，到处都是闭合和开放的电场线。
登月防护措施
来自月球的伽马射线，以及产生它们的宇宙射线，都对宇航员构成威胁，因为它们都是具有强大穿透力的电离辐射。为了防止他们袭击宇航员，需要做很多防护。原子序数高的材料是有效的屏蔽材料。铅(原子序数82)是一种很好的屏蔽材料，因为它的密度也很高。
对于能量较低的伽马射线，宇航员面临的风险是随着时间的推移而增加的。想象一下x光技师和x光病人的对比。病人一生中接触x光的时间并不长，所以病人会接受这种风险。然而，对于技术人员来说，情况就不同了。他们每天都暴露在阳光下，所以他们离开房间，用铅之类的材料挡住x射线。宇航员也是如此。他们在月球上停留在伽马射线以及宇宙射线环境中的时间越长，就越需要限制他们的暴露。不仅要屏蔽，还要定时。
月球的辐射环境
费米伽马射线太空望远镜的数据帮助科学家了解月球上的伽马射线/宇宙射线风险。因此如果利用太阳的11年周期会导致月球的伽马辐射有时会减少20%这一关键来登月或许会更明智。
这张照片是根据6年的费米观测所得。它显示了整个天空的能量在500亿(GeV)到2万亿电子伏(TeV)之间。中间的亮带是银河系的中心平面。其中一些最亮的光源是脉冲星风星云和我们星系中的超新星残骸，以及由超大质量黑洞提供动力的遥远星系——火焰星系。标签显示了最高的能源，所有位于我们的星系和发射超过1 TeV的伽马射线。
暴露于辐射是太空旅行和长期太空任务的主要障碍之一。地球的磁层和大气都是辐射屏蔽体。但即使在近地轨道上，宇航员也有暴露在更强辐射下的风险。如果我们要在月球上驻扎，我们必须了解那里的辐射环境。早在2005年，美国宇航局就开始研究月球辐射环境，希望能在月球上建立人类前哨基地。当他们在2009年发射月球勘测轨道飞行器(LRO)时，它包含了一种叫做宇宙射线望远镜的仪器，用于测量辐射效应，其中主要是陨石坑。
陨石坑的工作是描述月球的辐射环境及其对宇航员的生物影响。它使用塑料来模拟人体组织，并把它们放在不同的屏蔽材料后面。研究员哈兰·斯宾塞(Harlan Spence)说，“我们不仅将测量辐射，还将使用模拟人体组织的塑料来观察这些高能粒子是如何穿透人体并与人体互动的。”
月球伽马射线令人震惊，在长期月球基地或载人火星任务成为现实之前，这是一个必须解决的难题。