新理论模型揭示超高能宇宙射线起源学术资讯

▲上图展示了从超大黑洞强喷射流加速喷出的宇宙射线库中逸出的“多使者”。高能宇宙射线逃离黑洞里的活跃星系核后，受困于磁环境而形成一个宇宙射线库。它们受限于磁环境而在星际空间传播过程中产生了高能中微子和伽马射线。超高能的宇宙射线、极高能微中子以及伽马射线最终将抵达地球，展示出三种高能宇宙粒子通量变化的组合图。

超高能宇宙射线的起源一直是宇宙粒子物理学的最大谜团。如今，新的理论模型可以揭示这一秘密：它们是被巨大黑洞的喷射流加速并喷射到太空的。上述模型还揭示了全部三种

“太空使者”粒子的自然来源，是首次基于详细数字计算的太空物理学模型，创建者为美国宾州州立大学和马里兰大学的科学家，论文在线刊于1月22日《自然物理》杂志。

“我们的模型有助于理解为什么这三种太空使者微粒在进入太空时动力出奇一致，也许不是巧合。”宾大助理教授、第一作者科塔·木拉斯说。“新模型表明，非常高能的中微子和高能伽马射线是通过粒子碰撞自然产生的，作为宇宙射线的子粒子，因此可以继承其母粒子的可比能量预算。超高能量宇宙射线是宇宙中最具能量的粒子，它们各自携带的能量极高，即使用世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机也无法产生。将这三种太空使者的所有信息结合在一起是一种有益的研究，结果可靠。”穆拉斯说。

半个世纪以来，人们怀疑在太空中极高能宇宙粒子来自所谓的“活跃星系核”，即围绕在超大质量黑洞中心周围的超辐射核心区域。活跃星系核有着强大喷流，喷流或环境产生了高能宇宙粒子，它们以接近光速被射向太空。

这个研究结果可以解释超高能宇宙射线的光谱和构成。它也能说明地面试验发现而无法解释的一些现象。非常高能的中微子在一亿兆电子伏特以上的光谱来自宇宙射线和星系团、星系群内部气体中粒子的撞击。来自星系团和星际空间的伽马射线与不明原因的弥漫高能伽马射线（不属于特殊活动星系核）相匹配。

“新模式让未来建立大统一模型成为可能，将说明三种太空使者有着同类的天体物理学来源，高能中微子和伽马射线产生的机制也相同。”穆拉斯说。“基于多使者方法的进一步研究对测试我们的模型有重要的意义。”

新模型还有望激发更多人研究星系团和星系群，也有益于其他高能宇宙粒子统一模型的开发。当新一代的中微子探测器，如icecube-gen2 KM3NeT，以及下一代的γ射线望远镜——切伦科夫望远镜阵列投入观测时，新模式将受到严格测试。

“多使者粒子天体物理学的黄金时代刚刚开始。”穆拉斯说，这对于揭示关于极高能量宇宙微粒的物理学新知识，以及更深入地理解我们的宇宙都是非常重要的。

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编译：馥莉审稿：三水编辑：程建兰

来源：https://phys.org/news/2018-01-extreme-energy-space-particles-theory.html