宇宙信使 世紀(jì)謎題：宇宙線簡(jiǎn)介

宇宙線發(fā)現(xiàn)至今已超過(guò)百年。然而關(guān)于宇宙線粒子是如何被加速出來(lái)的？它的起源天體又是什么？仍舊沒(méi)有確切答案?！坝钪婢€起源及其加速機(jī)制”是2004年美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)研究確定的新世紀(jì)科學(xué)研究的11個(gè)“世紀(jì)謎題”之一。

什么是宇宙線？

1912年，奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯（Victor F. Hess）乘坐熱氣球到達(dá)海拔5千多米的高空，測(cè)量了輻射電離率隨海拔高度的變化。他發(fā)現(xiàn)在1千米以上，隨著海拔高度的增加，輻射電離率有顯著增加，海拔5千米處的電離率比地面高數(shù)倍，從而認(rèn)定電離是來(lái)自地球之外的穿透性極強(qiáng)的射線，后被取名為“宇宙射線”或“宇宙線”。赫斯也因?yàn)檫@一發(fā)現(xiàn)在1936年被授予諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

宇宙線是地球上探測(cè)到的來(lái)自宇宙空間的高能粒子的總稱，其中質(zhì)子占約90％，氦核占9%，還有1%為其他重核、電子、光子等高能輻射。宇宙線的能量范圍極寬，橫跨了11個(gè)數(shù)量級(jí)。1991年10月15日，美國(guó)猶他大學(xué)的高分辨率宇宙粒子探測(cè)器探測(cè)到人類目前已知能量最高的宇宙線粒子，并戲稱為“我的天吶粒子”（oh-my-god particle）。它的能量為~300EeV（3×102oeV），和其它原子核發(fā)生非彈性碰撞時(shí)，這個(gè)能量比人類制造的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)LHC能提供的最高碰撞能量還要高50多倍！[1]

宇宙線是地球上能探測(cè)到的太陽(yáng)系以外唯一的物質(zhì)樣本，它來(lái)自宇宙深處，蘊(yùn)藏著宇宙起源、天體演化等豐富的信息，是重要的宇宙“信使”。

宇宙線從哪里來(lái)？

由于大部分宇宙線粒子帶電，在傳播到地球的途中會(huì)受到宇宙空間磁場(chǎng)的影響產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)方向的偏轉(zhuǎn)，因此，人們很難通過(guò)觀測(cè)它們的到達(dá)方向來(lái)追溯其起源天體。但是高能粒子可以通過(guò)和磁場(chǎng)以及星際介質(zhì)相互作用產(chǎn)生不帶電的輻射，比如電磁輻射、中微子，我們可以通過(guò)觀測(cè)這些輻射間接追尋它們的起源。太陽(yáng)和其他恒星表面的高能活動(dòng)、超新星爆發(fā)、脈沖星、類星體和活動(dòng)星系核等都可能是宇宙線源。根據(jù)產(chǎn)生區(qū)由近至遠(yuǎn)，可大致把宇宙線分為太陽(yáng)宇宙線、銀河系宇宙線和河外高能宇宙線，它們對(duì)應(yīng)的能量也逐漸增加。

太陽(yáng)是離我們最近的宇宙線源，太陽(yáng)宇宙線就是太陽(yáng)活動(dòng)產(chǎn)生的高能粒子流，其能量較低，通常不超過(guò)~101oeV。

能量大于1013eV宇宙線能譜 。宇宙線的流量隨著能量的增加迅速降低，這個(gè)能譜總體可以用一個(gè)冪律譜來(lái)表示，在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下近似為一條直線。在101?~101?eV附近變陡，稱為“膝區(qū)”(Knee)，在101?~101?eV變平被稱為“踝區(qū)”（Ankle）在101?eV左右再次變陡，稱為第二“膝區(qū)”(2nd Knee)。| 圖源：參考文獻(xiàn)[2]

來(lái)自不同種類高能天體的宇宙線到達(dá)地球后，會(huì)在宇宙線能譜的不同能段顯現(xiàn)出來(lái)。一般認(rèn)為，能量在“踝區(qū)”（能量101?~101?eV）以下的宇宙線可能起源于銀河系，而在“踝區(qū)”以上的宇宙線主要來(lái)自河外高能天體源。

超新星遺跡激波加速被普遍認(rèn)為是銀河系內(nèi)最主要的宇宙線加速源。

上：仙后座a超新星遺跡 | 圖源：https://chandra.harvard.edu

下：脈沖星示意圖 | 圖源：https://en.wikipedia.org

1934年，巴德（W. Baade）和茲維基（F. Zwicky）首先提出超新星爆發(fā)是產(chǎn)生宇宙線的主要天體。超新星爆發(fā)會(huì)把大量的前身星物質(zhì)拋射出去，形成超新星遺跡。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，這些超新星遺跡通常具有很強(qiáng)的磁場(chǎng)且攜帶巨大的動(dòng)能，其本身是一個(gè)天然的加速器。超新星遺跡激波平均攜帶的動(dòng)能有10?1爾格（erg），相當(dāng)于太陽(yáng)終其一生（約100億年）所釋放的總能量，只要將這一能量的10%轉(zhuǎn)化成高能粒子就能維持當(dāng)前觀測(cè)到的宇宙射線的能量密度。[3]

希拉斯（A. M. Hillas）系統(tǒng)分析了各種天體加速粒子能夠達(dá)到的最大能量，認(rèn)為粒子被加速到的最大能量主要與加速區(qū)的大小和磁場(chǎng)強(qiáng)度有關(guān)，這就是所謂的Hillas條件。超新星遺跡很可能具備將宇宙線加速到的101?~101?eV的能力。在過(guò)去十幾年里，科學(xué)家們通過(guò)分析費(fèi)米衛(wèi)星對(duì)幾個(gè)超新星遺跡的觀測(cè)，找到了超新星遺跡激波可以加速高能原子核的直接證據(jù)。[4][5]

各種天體的特征尺寸和磁場(chǎng)以及它們能夠加速的粒子的最高能量 | 圖源：參考文獻(xiàn)[6]

宇宙線加速機(jī)制

關(guān)于高能帶電粒子加速的物理機(jī)制，1949年，恩利克·費(fèi)米（Enrico Fermi）首先提出了著名的費(fèi)米加速機(jī)制。他指出帶電粒子可以通過(guò)在兩個(gè)互相靠近的磁云間來(lái)回散射而增加能量。這種機(jī)制后來(lái)被推廣成帶電粒子被運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)散射而加速。超新星爆發(fā)產(chǎn)生的高速激波可以為帶電粒子的加速提供所需的運(yùn)動(dòng)磁場(chǎng)環(huán)境。后來(lái)人們把費(fèi)米加速機(jī)制應(yīng)用到激波環(huán)境，發(fā)展成 “擴(kuò)散激波加速”（簡(jiǎn)稱DSA）的定量理論。該理論預(yù)言：當(dāng)被加速粒子足夠少到不影響激波的結(jié)構(gòu)時(shí)，高能粒子在激波下游的數(shù)密度與能量的平方成反比。然而這一簡(jiǎn)單的理論預(yù)測(cè)并不能解釋宇宙線和超新星遺跡的很多觀測(cè)特征。人們正在發(fā)展更復(fù)雜的粒子加速模型以解釋超新星遺跡和宇宙線的觀測(cè)。[7]

四川稻城海子山上建設(shè)中的高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）| 圖源：網(wǎng)絡(luò)

在觀測(cè)方面，我國(guó)正在四川稻城建設(shè)的國(guó)家重大科學(xué)基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）“將對(duì)高能宇宙線和伽馬射線給出更高精度的測(cè)量，有助于我們解決宇宙線的起源等問(wèn)題。

參考資料

[1]Steve Nerlich. Oh-My-God Particles.Universe Today,2016-6-13

[2]Patrignani C, Particle Data Group. Review of Particle Physics[J].Chinese physics C,2016,40(10):100001

[3]劉四明.銀河系宇宙線的超新星遺跡起源學(xué)說(shuō).現(xiàn)代物理知識(shí),2019,(2):3-8

[4]Ginger Pinholster (13 February 2013). "Evidence Shows that Cosmic Rays Come from Exploding Stars".

[5]Ackermann M, et al. Detection of characteristic Pion-decay signature in supernova remnants.Science ,2013,339:807

[6]Federico Fraschetti.On the acceleration of ultra-high-energy cosmic rays. PHILOSOPHICAL TRANSACTIONS OF THE ROYAL SOCIETY A-MATHEMATICAL PHYSICAL AND ENGINEERING SCIENCES,2008,366(1884):4417-4428

[7]Stefano Gabici, Carmelo Evoli, Daniele Gaggero, Paolo Lipari, Philipp Mertsch, Elena Orlando, Andrew Strong, Andrea Vittino .“The origin of Galactic cosmic rays: challenges to the standard paradigm”. International Journal of Modern Physics D, (2019) 1930022

作者簡(jiǎn)介

彭珂：長(zhǎng)安大學(xué)，2018級(jí)本科生。在中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)實(shí)習(xí)，指導(dǎo)老師：劉四明。

主編：毛瑞青

審核：劉四明

輪值主編：季江徽

編輯：王科超、高娜

更多精彩天文科普，請(qǐng)關(guān)注中國(guó)科學(xué)院紫金山天文臺(tái)微信公眾號(hào)：caspmo。