宇宙信使 世纪谜题：宇宙线简介

宇宙线发现至今已超过百年。然而关于宇宙线粒子是如何被加速出来的？它的起源天体又是什么？仍旧没有确切答案。“宇宙线起源及其加速机制”是2004年美国国家科学技术委员会研究确定的新世纪科学研究的11个“世纪谜题”之一。

什么是宇宙线？

1912年，奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor F. Hess）乘坐热气球到达海拔5千多米的高空，测量了辐射电离率随海拔高度的变化。他发现在1千米以上，随着海拔高度的增加，辐射电离率有显著增加，海拔5千米处的电离率比地面高数倍，从而认定电离是来自地球之外的穿透性极强的射线，后被取名为“宇宙射线”或“宇宙线”。赫斯也因为这一发现在1936年被授予诺贝尔物理学奖。

宇宙线是地球上探测到的来自宇宙空间的高能粒子的总称，其中质子占约90％，氦核占9%，还有1%为其他重核、电子、光子等高能辐射。宇宙线的能量范围极宽，横跨了11个数量级。1991年10月15日，美国犹他大学的高分辨率宇宙粒子探测器探测到人类目前已知能量最高的宇宙线粒子，并戏称为“我的天呐粒子”（oh-my-god particle）。它的能量为~300EeV（3×10²ºeV），和其它原子核发生非弹性碰撞时，这个能量比人类制造的大型强子对撞机LHC能提供的最高碰撞能量还要高50多倍！[1]

宇宙线是地球上能探测到的太阳系以外唯一的物质样本，它来自宇宙深处，蕴藏着宇宙起源、天体演化等丰富的信息，是重要的宇宙“信使”。

宇宙线从哪里来？

由于大部分宇宙线粒子带电，在传播到地球的途中会受到宇宙空间磁场的影响产生运动方向的偏转，因此，人们很难通过观测它们的到达方向来追溯其起源天体。但是高能粒子可以通过和磁场以及星际介质相互作用产生不带电的辐射，比如电磁辐射、中微子，我们可以通过观测这些辐射间接追寻它们的起源。太阳和其他恒星表面的高能活动、超新星爆发、脉冲星、类星体和活动星系核等都可能是宇宙线源。根据产生区由近至远，可大致把宇宙线分为太阳宇宙线、银河系宇宙线和河外高能宇宙线，它们对应的能量也逐渐增加。

太阳是离我们最近的宇宙线源，太阳宇宙线就是太阳活动产生的高能粒子流，其能量较低，通常不超过~10¹ºeV。

能量大于10¹³eV宇宙线能谱 。宇宙线的流量随着能量的增加迅速降低，这个能谱总体可以用一个幂律谱来表示，在对数坐标下近似为一条直线。在10¹⁵~10¹⁶eV附近变陡，称为“膝区”(Knee)，在10¹⁸~10¹⁹eV变平被称为“踝区”（Ankle）在10¹⁷eV左右再次变陡，称为第二“膝区”(2nd Knee)。| 图源：参考文献[2]

来自不同种类高能天体的宇宙线到达地球后，会在宇宙线能谱的不同能段显现出来。一般认为，能量在“踝区”（能量10¹⁸~10¹⁹eV）以下的宇宙线可能起源于银河系，而在“踝区”以上的宇宙线主要来自河外高能天体源。

超新星遗迹激波加速被普遍认为是银河系内最主要的宇宙线加速源。

上：仙后座a超新星遗迹 | 图源：https://chandra.harvard.edu

下：脉冲星示意图 | 图源：https://en.wikipedia.org

1934年，巴德（W. Baade）和兹维基（F. Zwicky）首先提出超新星爆发是产生宇宙线的主要天体。超新星爆发会把大量的前身星物质抛射出去，形成超新星遗迹。观测发现，这些超新星遗迹通常具有很强的磁场且携带巨大的动能，其本身是一个天然的加速器。超新星遗迹激波平均携带的动能有10⁵¹尔格（erg），相当于太阳终其一生（约100亿年）所释放的总能量，只要将这一能量的10%转化成高能粒子就能维持当前观测到的宇宙射线的能量密度。[3]

希拉斯（A. M. Hillas）系统分析了各种天体加速粒子能够达到的最大能量，认为粒子被加速到的最大能量主要与加速区的大小和磁场强度有关，这就是所谓的Hillas条件。超新星遗迹很可能具备将宇宙线加速到的10¹⁵~10¹⁸eV的能力。在过去十几年里，科学家们通过分析费米卫星对几个超新星遗迹的观测，找到了超新星遗迹激波可以加速高能原子核的直接证据。[4][5]

各种天体的特征尺寸和磁场以及它们能够加速的粒子的最高能量 | 图源：参考文献[6]

宇宙线加速机制

关于高能带电粒子加速的物理机制，1949年，恩利克·费米（Enrico Fermi）首先提出了著名的费米加速机制。他指出带电粒子可以通过在两个互相靠近的磁云间来回散射而增加能量。这种机制后来被推广成带电粒子被运动磁场散射而加速。超新星爆发产生的高速激波可以为带电粒子的加速提供所需的运动磁场环境。后来人们把费米加速机制应用到激波环境，发展成 “扩散激波加速”（简称DSA）的定量理论。该理论预言：当被加速粒子足够少到不影响激波的结构时，高能粒子在激波下游的数密度与能量的平方成反比。然而这一简单的理论预测并不能解释宇宙线和超新星遗迹的很多观测特征。人们正在发展更复杂的粒子加速模型以解释超新星遗迹和宇宙线的观测。[7]

四川稻城海子山上建设中的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）| 图源：网络

在观测方面，我国正在四川稻城建设的国家重大科学基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）“将对高能宇宙线和伽马射线给出更高精度的测量，有助于我们解决宇宙线的起源等问题。

参考资料

[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]刘四明.银河系宇宙线的超新星遗迹起源学说.现代物理知识,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

作者简介

彭珂：长安大学，2018级本科生。在中国科学院紫金山天文台实习，指导老师：刘四明。

主编：毛瑞青

审核：刘四明

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