宇宙線發現至今已超過百年。然而關(guan) 於(yu) 宇宙線粒子是如何被加速出來的？它的起源天體(ti) 又是什麽(me) ？仍舊沒有確切答案。“宇宙線起源及其加速機製”是2004年美國國家科學技術委員會(hui) 研究確定的新世紀科學研究的11個(ge) “世紀謎題”之一。

什麽(me) 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。他發現在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麵高數倍，從(cong) 而認定電離是來自地球之外的穿透性極強的射線，後被取名為(wei) “宇宙射線”或“宇宙線”。赫斯也因為(wei) 這一發現在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，其中質子占約90％，氦核占9%，還有1%為(wei) 其他重核、電子、光子等高能輻射。宇宙線的能量範圍極寬，橫跨了11個(ge) 數量級。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，並戲稱為(wei) “我的天呐粒子”（oh-my-god particle）。它的能量為(wei) ~300EeV（3×10²ºeV），和其它原子核發生非彈性碰撞時，這個(ge) 能量比人類製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係以外唯一的物質樣本，它來自宇宙深處，蘊藏著宇宙起源、天體(ti) 演化等豐(feng) 富的信息，是重要的宇宙“信使”。

宇宙線從(cong) 哪裏來？

由於(yu) 大部分宇宙線粒子帶電，在傳(chuan) 播到地球的途中會(hui) 受到宇宙空間磁場的影響產(chan) 生運動方向的偏轉，因此，人們(men) 很難通過觀測它們(men) 的到達方向來追溯其起源天體(ti) 。但是高能粒子可以通過和磁場以及星際介質相互作用產(chan) 生不帶電的輻射，比如電磁輻射、中微子，我們(men) 可以通過觀測這些輻射間接追尋它們(men) 的起源。太陽和其他恒星表麵的高能活動、超新星爆發、脈衝(chong) 星、類星體(ti) 和活動星係核等都可能是宇宙線源。根據產(chan) 生區由近至遠，可大致把宇宙線分為(wei) 太陽宇宙線、銀河係宇宙線和河外高能宇宙線，它們(men) 對應的能量也逐漸增加。

太陽是離我們(men) 最近的宇宙線源，太陽宇宙線就是太陽活動產(chan) 生的高能粒子流，其能量較低，通常不超過~10¹ºeV。

能量大於(yu) 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(ge) 能譜總體(ti) 可以用一個(ge) 冪律譜來表示，在對數坐標下近似為(wei) 一條直線。在10¹⁵~10¹⁶eV附近變陡，稱為(wei) “膝區”(Knee)，在10¹⁸~10¹⁹eV變平被稱為(wei) “踝區”（Ankle）在10¹⁷eV左右再次變陡，稱為(wei) 第二“膝區”(2nd Knee)。| 圖源：參考文獻[2]

來自不同種類高能天體(ti) 的宇宙線到達地球後，會(hui) 在宇宙線能譜的不同能段顯現出來。一般認為(wei) ，能量在“踝區”（能量10¹⁸~10¹⁹eV）以下的宇宙線可能起源於(yu) 銀河係，而在“踝區”以上的宇宙線主要來自河外高能天體(ti) 源。

超新星遺跡激波加速被普遍認為(wei) 是銀河係內(nei) 最主要的宇宙線加速源。

上：仙後座a超新星遺跡 | 圖源：https://chandra.harvard.edu

下：脈衝(chong) 星示意圖 | 圖源：https://en.wikipedia.org

1934年，巴德（W. Baade）和茲(zi) 維基（F. Zwicky）首先提出超新星爆發是產(chan) 生宇宙線的主要天體(ti) 。超新星爆發會(hui) 把大量的前身星物質拋射出去，形成超新星遺跡。觀測發現，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(ge) 天然的加速器。超新星遺跡激波平均攜帶的動能有10⁵¹爾格（erg），相當於(yu) 太陽終其一生（約100億(yi) 年）所釋放的總能量，隻要將這一能量的10%轉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）係統分析了各種天體(ti) 加速粒子能夠達到的最大能量，認為(wei) 粒子被加速到的最大能量主要與(yu) 加速區的大小和磁場強度有關(guan) ，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10¹⁵~10¹⁸eV的能力。在過去十幾年裏，科學家們(men) 通過分析費米衛星對幾個(ge) 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。[4][5]

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

宇宙線加速機製

關(guan) 於(yu) 高能帶電粒子加速的物理機製，1949年，恩利克·費米（Enrico Fermi）首先提出了著名的費米加速機製。他指出帶電粒子可以通過在兩(liang) 個(ge) 互相靠近的磁雲(yun) 間來回散射而增加能量。這種機製後來被推廣成帶電粒子被運動磁場散射而加速。超新星爆發產(chan) 生的高速激波可以為(wei) 帶電粒子的加速提供所需的運動磁場環境。後來人們(men) 把費米加速機製應用到激波環境，發展成 “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，高能粒子在激波下遊的數密度與(yu) 能量的平方成反比。然而這一簡單的理論預測並不能解釋宇宙線和超新星遺跡的很多觀測特征。人們(men) 正在發展更複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：網絡

在觀測方麵，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，有助於(yu) 我們(men) 解決(jue) 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.銀河係宇宙線的超新星遺跡起源學說.現代物理星空体育官网入口网站,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台實習(xi) ，指導老師：劉四明。

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