活动星系核与高能宇宙线（上）

来源：现代物理知识杂志

宇宙线发现100年来，人们对其成分、产生和加速机制、及其传播效应进行了广泛的研究，并获得了丰富的天体物理信息，但其起源至今仍然不清楚。一般认为相对低能的宇宙线起源于银河系内，极高能宇宙线起源于河外。而作为宇宙中最明亮的河外天体，活动星系核很可能是河外宇宙线源。随着多信使观测时代的到来，我们拥有了前所未有的从整体上去理解高能伽马射线和河外极高能宇宙线最好机遇。

我们对宇宙的认识和了解都来自于观测天体获得的各种辐射信息，目前人们获得天体信息的渠道主要有四种，包括电磁辐射、中微子、引力波和来自地球以外的从电子、原子核到陨石等宇宙物质。

电磁辐射是来自天体的各种能量的电磁波，人们利用射电、红外、光学、紫外以及X射线和伽马射线望远镜可以获得从低能射电波段到高能伽马射线波段的全波段信号。宇宙中的高能X射线、伽马射线主要来自于一些致密天体，如脉冲星、球状星团、活动星系核等。自20世纪70年代以来，利用空间X射线和伽马射线望远镜发现了很多X射线和伽马射线源，特别是大气切伦科夫望远镜技术的应用，我们可以在甚高能波段(30 GeV~30 TeV)观测到不同类型天体的高能辐射。

甚高能伽马射线被认为几乎完全来自于高相对论粒子与环境物质或光子场的相互作用。产生于天体极端环境条件下相对论性高能带电粒子的辐射、宇宙早期产生的重粒子以及暗物质粒子的衰变和湮灭等非热辐射过程，是研究高能宇宙线起源及加速机制、天体的相对论性非热辐射过程的主要探针，也是研究伽马射线暴(GRB)、洛伦兹破坏及间接测量暗物质粒子等的重要手段，还可用来测量河外背景光子场、星系际磁场及哈勃常数等重要宇宙学参数。

引力波是1915年爱因斯坦广义相对论预言的宇宙时空扰动产生的引力辐射。在理论预言100年以后，北京时间2015年9月14日美国激光干涉引力波天文台(LIGO)第一次观测到了遥远星系中两个分别为36 和29倍太阳质量的黑洞并合为62倍太阳质量黑洞所产生的引力波辐射，该事件获得2017年度诺贝尔物理学奖。随后在2017年8月17日，LIGO和欧洲激光干涉引力波天文台(Virgo)共同探测到1.3亿光年外的双中子星合并产生的引力波辐射，伴随着引力波辐射同时观测到了电磁辐射，这也是人类首次直接探测到引力波电磁对应体。探测到电磁对应体是天文学家期待已久的重大发现，在天文学以及物理学发展史上具有划时代的意义，正式开启了多信使天文学时代，有助于我们对宇宙的认识。

高能宇宙线在加速和传播过程中都可能产生高能中微子，中微子不带电，在宇宙磁场中不受磁场的偏转，可以直接反推源的方向，因而可以作为寻找宇宙线源的理想“信使”。2017年9月22日，南极冰立方IceCube 探测到了一个能量为300TeV 的高能宇宙中微子，这个中微子可能来自于已知的距离地球大约40亿光年的耀变体。

从电磁辐射到引力波再到高能中微子的探测，我们获得了更多来自宇宙的信息，让我们可以更全面的了解天体和宇宙，也让我们对天空中最强大的天体和事件有了更重要的新见解。随着多信使观测时代的到来，我们也迎来了研究一些困扰已久的难题的最好时机，如宇宙线及其起源问题。极高能宇宙线起源的最可能候选者之一的活动星系核的研究，在这个时代中很有可能会取得突破性的进展，从而让我们重新认识这一类河外极端天体。

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流的总称，包括以质子为主的各类元素的原子核、电子、中微子、高能光子(X、γ射线)、其他可能的未知粒子。其中90%是质子，9% He核，1%其他重核。

100多年来，利用各种直接和间接探测手段，我们已经获得了从低能109eV到最高可达1020eV的宇宙线。能量大于1013eV宇宙线能谱如图1所示。

图1 能量大于1013eV宇宙线能谱。不同符号不同颜色的数据点分别代表着不同的探测器，如图标所示。

宇宙线能谱总体上可以用一个幂律谱( ∝E -γ )来描述，但由于幂律谱指数γ的变化形成了一些特殊的能谱结构，分别是在1015~1016 eV 的“膝”区和1018~1019 eV的“踝”区，另外1017 eV左右的一个结构称为第二“膝”区。一般认为，“踝”区以下的宇宙线可能起源于银河系，通常称为银河系宇宙线，而“踝”区以上能量大于1018 eV 的宇宙线由银河系外天体产生，通常称为极高能宇宙线。对于银河系宇宙线，“膝”区以下的低能宇宙线为质子占主导；第二“膝”区到“踝”区，质子的丰度明显受到抑制，重核慢慢占主导，这很有可能是由于银河系源的加速极限或者粒子逃逸导致的。

由于宇宙空间存在着各种磁场，宇宙线又以带电粒子为主，所以遥远天体产生的宇宙线将在传播过程中受到磁场的偏转，无法准确的判断宇宙线的最初起源。同时由于地球大气的存在，宇宙线进入大气后，将会与大气中的原子核发生各种相互作用，产生各种次级粒子，形成大大小小的“广延大气簇射”，因此无法在地球上直接探测原初宇宙线。

也正是因为存在这些困难，直到现在我们还是无法确定宇宙线是如何产生的、在什么地方产生、以及宇宙线的传播机制等等最基本的问题。

尽管如此，上百年的观测和研究，理论上还是提出了一些可能的关于宇宙线起源、加速和传播等基本模型。

普遍认为银河系宇宙线的来源是超新星遗迹，最近观测到的超新星遗迹的强子过程可能是这个观点的一个强有力的证据。然而，一些新的观测证据也表明银河系中心黑洞也可能是银河系宇宙线的来源。但肯定的事实和结论，如同对极高能宇宙线的认识一样，还需要更多的观测和研究。

根据Hillas条件，粒子被加速到最大能量主要与加速天体加速区的尺度和磁场强度有关。从图2的Hillas图可以看到，宇宙中一类特殊天体活动星系核（AGN）很有可能具备将宇宙线粒子加速到1020eV 的能力，这也是目前普遍认为最有可能成为河外宇宙线源的一类天体。（未完待续）

图2 各种可能加速宇宙线的天体在Hillas图的位置。在红线以上的天体可以加速铁核到1020 eV，蓝线以上的天体可以加速质子到1020 eV。可以看到AGN可能具备加速宇宙线粒子到极高能的能力