宇宙線發(fā)現(xiàn)至今已超過百年。然而關于宇宙線粒子是如何被加速出來的？它的起源天體又是什么？仍舊沒有確切答案。“宇宙線起源及其加速機制”是2004年美國國家科學技術委員會研究確定的新世紀科學研究的11個“世紀謎題”之一。

什么是宇宙線？

1912年，奧地利物理學家維克托·赫斯（Victor F. Hess）乘坐熱氣球到達海拔5千多米的高空，測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，從而認定電離是來自地球之外的穿透性極強的射線，后被取名為“宇宙射線”或“宇宙線”。赫斯也因為這一發(fā)現(xiàn)在1936年被授予諾貝爾物理學獎。

宇宙線是地球上探測到的來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個數(shù)量級。1991年10月15日，美國猶他大學的高分辨率宇宙粒子探測器探測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，這個能量比人類制造的大型強子對撞機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到的太陽系以外唯一的物質(zhì)樣本，它來自宇宙深處，蘊藏著宇宙起源、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？

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

太陽是離我們最近的宇宙線源，太陽宇宙線就是太陽活動產(chǎn)生的高能粒子流，其能量較低，通常不超過~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，這個能譜總體可以用一個冪律譜來表示，在對數(shù)坐標下近似為一條直線。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[2]

來自不同種類高能天體的宇宙線到達地球后，會在宇宙線能譜的不同能段顯現(xiàn)出來。一般認為，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自河外高能天體源。

超新星遺跡激波加速被普遍認為是銀河系內(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)會把大量的前身星物質(zhì)拋射出去，形成超新星遺跡。觀測發(fā)現(xiàn)，這些超新星遺跡通常具有很強的磁場且攜帶巨大的動能，其本身是一個天然的加速器。超新星遺跡激波平均攜帶的動能有10?1爾格（erg），相當于太陽終其一生（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前觀測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到的最大能量，認為粒子被加速到的最大能量主要與加速區(qū)的大小和磁場強度有關，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。在過去十幾年里，科學家們通過分析費米衛(wèi)星對幾個超新星遺跡的觀測，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以及它們能夠加速的粒子的最高能量 | 圖源：參考文獻[6]

宇宙線加速機制

關于高能帶電粒子加速的物理機制，1949年，恩利克·費米（Enrico Fermi）首先提出了著名的費米加速機制。他指出帶電粒子可以通過在兩個互相靠近的磁云間來回散射而增加能量。這種機制后來被推廣成帶電粒子被運動磁場散射而加速。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動磁場環(huán)境。后來人們把費米加速機制應用到激波環(huán)境，發(fā)展成 “擴散激波加速”（簡稱DSA）的定量理論。該理論預言：當被加速粒子足夠少到不影響激波的結構時，高能粒子在激波下游的數(shù)密度與能量的平方成反比。然而這一簡單的理論預測并不能解釋宇宙線和超新星遺跡的很多觀測特征。人們正在發(fā)展更復雜的粒子加速模型以解釋超新星遺跡和宇宙線的觀測。[7]

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

在觀測方面，我國正在四川稻城建設的國家重大科學基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）“將對高能宇宙線和伽馬射線給出更高精度的測量，有助于我們解決宇宙線的起源等問題。

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說.現(xiàn)代物理知識,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

作者簡介

彭珂：長安大學，2018級本科生。在中國科學院紫金山天文臺實習，指導老師：劉四明。

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