一个尚未解开的宇宙谜团

原创 Deer 原理

‍‍

每当我们抬头仰望星空时，看见的是一片祥和的宇宙。然而，这并不是宇宙真正的样子。

宇宙无时无刻充斥着巨大的能量爆发。白矮星、中子星、黑洞等活跃致密天体是产生高能天体物理现象的源头，而宇宙射线、伽马射线和高能中微子这些粒子流则作为这些巨大能量的载体，从产生的星系中离开，穿过星系际介质，再进入我们的星系，最终冲向地球。

图片来源：Swinburne University of Technology

在上述的三种载体中，宇宙射线最为常见，它由约99%的质子和原子核组成，也是近些年来天文研究的热点。

在冲向地面的过程中，地球的大气层损耗了它们绝大部分的能量。严格来讲，这是一件幸运的事，因为如此高能量的粒子流如果真的到达了地面，后果将不堪设想。

但对天文学家来说，这却没那么“幸运”了。宇宙射线要想到达地面，无可避免需要穿过由高密度的气体分子组成的近地大气，这里的“高密度”是相对于宇宙中大约每平方厘米1个氢原子的平均密度而言的。

大气中气体分子的密度使得离子（即带电粒子）的平均自由程异常地小，换句话说，那些进入近地大气的宇宙射线会被气体分子快速捕捉。这也同时使得进入近地大气的宇宙射线发生再电离的可能性变得微乎其微。

当它们到达地面时，已经成了能量极低的粒子流，因此很难被检测到。

宇宙射线经过大气时会发生复杂的反应，最终变成能量极低的粒子流。| 图片来源：CERN

1912年，美籍奥地利裔天文物理学家维克多·海斯（Victor Hess）乘坐热气球飞行到离地面5.3km的高度，成功探测到了宇宙射线。他是人类历史上第一个探测到宇宙射线的人，这一成就也让他获得了1936年诺贝尔物理奖。

现如今，我们已经拥有了许多观测基地，比如坐落在阿根廷的皮埃尔·俄歇天文台，以及数不清的卫星，让科学家更好地研究宇宙射线。

这些技术上的进步，让科学家能够更全面地了解宇宙。然而，随着我们对宇宙射线的深入了解，却发现了更多的谜题。

1966年，格里森（Greisen）、泽塔斯宾（Zetsepin）和克苏敏（Kuzmin）三位科学家分别同时计算出了理论上宇宙射线的能量上限，也就是所谓的GZK极限（GZK limit）。他们总结出，任何宇宙射线的能量都不能超过5 × 10¹⁹ eV这个临界值。

这个计算是基于宇宙射线单纯由高能质子组成的假设（这一假设几乎不会对真实结果造成影响），而这些高能质子会与弥漫在空间中的微波光子发生作用。这些光子如今被称为宇宙微波背景（CMB）辐射，它们是宇宙大爆炸的遗迹。它们能量极低，只有约10⁻⁴ eV，与质子的能量相比几乎可以忽略不计。因此，高能质子与CMB光子的碰撞，就好比地球撞乒乓球。

但是，当质子的能量太过巨大的时候，这个反应就会变得微妙起来。它涉及相对论效应和量子场论的相关物理。简单来说，当质子的能量超过了GZK极限后，一系列复杂的高能物理反应便会发生，导致的结果便是，质子的能量会被损耗到GZK极限之下。

换句话说，能量超过GZK极限的质子无法在宇宙中持久存在，它们的能量会很快被降低到GZK极限之下。这便是这一理论的由来。

然而，和很多的物理理论一样，这个理论并不完备。早在1962年，也就是在这一极限被计算出来前，麻省理工学院火山牧场区观测站（Volcano Ranch Station）就曾检测到超过GZK极限的宇宙射线。

在过去的六十多年间，虽然绝大多数被检测到的宇宙射线都具有远低于GZK极限的能量，但能量超过它的宇宙射线也一直存在。这些能量超过GZK极限的宇宙射线，便被称为超高能宇宙射线（UHECR）。

理论与实验观测的冲突一直是解决物理问题、提出新理论的动力，尤其是当理论看起来无懈可击，而观测看似也没有失误的时候。因此，这些超高能宇宙射线的源头是什么，自然成为了物理学家们迫切想知道答案的一个问题。这正是现如今天体物理学和宇宙学的研究中最重要的开放问题之一。

现今，比较广为接受的“候选者”包括但不限于：伽马活动星系核（AGN）、星爆星系（SBG），以及嵌入磁场中的黑洞。不少论文对此进行过讨论，论证了这些系统产生超高能射线的过程，并提供了详细的理论架构。简单来说，这些天文现象之所以被认为能生成超高能量的宇宙射线，是因为它们会对射线进行二次加速。

不论是AGN还是SBG，它们活跃的星体部分都只能将质子加速到一个较高、却仍远低于GZK极限的能量；然而，在这些质子即将离开所在的星系时，一些发生在星际介质与星系周介质的相对论效应冲击波所产生的超级风，会对即将离开星系的质子二次加速。这些冲击波往往拥有着极高的马赫数（即等离子流体速度与介质中声速的比值。当马赫数大于1时，我们称之为超声波）。这样的二次加速过程，使得UHECR的产生变成了可能。

M82星系，望远镜曾捕捉到这个星系经历恒星形成的爆发时发生了什么。| 图片来源：X-ray: NASA/CXC; Optical: NASA/STScI

当然，以上只是非常粗略的描述，实际情况将会涉及许多十分复杂的物理变化过程。而且，由于上述的几种源头都是存在于银河系外，目前还很难对它们进行详细的观测。即便天文学家可以得到部分观测数据，也是经过了各种损耗的不全面的数据。

现如今的主流研究方法是进行超级计算机模拟，借助星系演化理论、磁流体（MHD）理论和等离子物理等理论，赋予一系列复杂的偏微分方程初始值，再利用超级计算机对此进行数值计算，从而得到模拟的数据结果。在此虽寥寥数语，这却是无数科研人员持续数十年来每天的工作。

到目前为止，人们还没有得到破解超高能宇宙射线秘密的最终答案。然而，正如历代伟大的物理学家一样，我们人类从来没停止过尝试寻找问题的答案。

这或许便是物理学能让人如此着迷的原因吧。

#创作团队：

文字：原理实习生 Deer

编辑：杭州小张、Takeko

#参考来源：

Anchordoqui, Luis A. "Ultra-high-energy cosmic rays." Physics Reports 801 (2019): 1-93.

Anchordoqui, Luis Alfredo. "Acceleration of ultrahigh-energy cosmic rays in starburst superwinds." Physical Review D 97.6 (2018): 063010.

#图片来源：

封面及文首来源：Swinburne University of Technology

原理实习生计划

作者简介

原理实习生计划启动

感兴趣的小伙伴欢迎发送

CV及个人作品

至xiaoouliu@newprincipia.com

‍

继续滑动看下一个