超高能宇宙射線
在粒子天文物理中,超高能宇宙射線(英語:Ultra-high-energy cosmic ray,UHECR)是指能量高於1 EeV(1018電子伏特,相當約0.16焦耳)的宇宙射線,其能量遠高於其他典型宇宙射線的靜質量與能量。
極高能宇宙射線(英語:Extreme-energy cosmic ray,EECR)是能量超過5×1019 eV(相當約8焦耳)的UHECR。5×1019 eV這個值即所謂GZK極限,指的是長距離行進(約1.6億光年)的宇宙射線質子會因為宇宙微波背景(CMB)中光子的散射,導致能量有上限。因此,EECR不可能自早期宇宙就存在至今,而是宇宙學上較「年輕」的宇宙射線,而且因某種未知的物理過程而從本超星系團的某個位置發射出來。如果EECR不是質子,而是核子數為 的原子核,那麼GZK極限也適用該核子數,只是原子核的總能量限制前帶有 的分數。對於鐵原子核,相應的極限會是×1021 eV 。但是,核物理過程導致鐵原子核的極限與質子相近。其他高豐度的原子核其極限甚至更低。 2.8
這些粒子非常稀有;在2004年至2007年之間, 皮埃爾・奧格天文台 (PAO)初始運行時檢測到27起事件,估計它們抵達天文台時能量超過 ×1019 eV ,也就是說,該天文台所調查的 3000 km2 面積之中大約每四週就發生一次這樣的事件。 5.7[1]
有證據顯示,這些最高能量的宇宙射線可能是鐵原子核 ,而不是構成大多數宇宙射線的質子。 [2]
人們推定EECR的(假說性的)發射源稱為捷伐加速器(Zevatron),其命名就如同勞倫斯・柏克萊國家實驗室的貝伐加速器(Bevatron),以及費米實驗室的兆電子伏特加速器(Tevatron)一樣,所以能夠將粒子加速到1 ZeV(1021 eV,皆電子伏特)。基於星系噴流内部的衝擊波可引起粒子的擴散加速,星系噴流在2004年一度被考慮可能就是Zevatron。特别是,模型表明,附近M87星系噴流衝擊波可能將鐵原子核加速到ZeV範圍。 [3] 2007年,皮埃爾・奧格天文台觀測到EECR與附近星系中心的河外超大質量黑洞(叫做活躍星系核)具有關聯性。[4] 然而,隨著持續的觀察,兩者關聯性的強度變得越來越弱。雖然最新的結果顯示這些EECR中似乎只有不到40%来自AGN,其相关性比以前报道的要弱得多,[2]但活躍星系核磁層中加速度的離心機制也可以解釋極高的能量[5] 。 格里布(Grib)和帕夫洛夫(Pavlov)(2007,2008)的提出一個更具推測性的建議,是設想超重暗物質通過潘羅斯過程的衰變 。
觀測史
1962年,約翰・D・林斯利(John D Linsley)博士和利維奥・斯卡西(Livio Scarsi)博士在新墨西哥州的火山牧場實驗中首次觀察到能量超過×1020 eV(16 J)的宇宙射线粒子。 1.0[6] [7]
從那之後,人們就觀測到具有更高能量的宇宙射線粒子。 其中包括1991年10月15日晚上,在猶他州Dugway試驗場上 ,由猶他大學的「蒼蠅眼」(Fly's eye)實驗觀察到的Oh-My-God粒子 。該次觀測結果震驚了天文物理學家 ,他們估算其能量約为×1020 eV(50 J) 3.2[8] ——換句話說, 原子核的動能相當於以時速100公里(時速60英里)飛行的棒球(142克或5盎司)。
超高能宇宙射線天文台
可能的解釋
中子星
活躍星系核
UHECR與藍移的宇宙微波背景辐射會發生相互作用,這限制了UHECR在失去能量之前可以行進的距離;這就是Greisen–Zatsepin–Kuzmin極限(GZK極限)。
其他可能來源
UHECR的其他可能來源是:
- 強大的電波星系的無線電波瓣(radio lobes)
- 在星系形成時期產生的星系間衝擊波
- 超新星 [9]
- 相對論超新星 [10]
- 伽馬射線暴 [11] [12]
- 拓撲缺陷產生的超大規模粒子的衰變產物,是早期宇宙相變留下的產物
- 經歷潘羅斯效應的粒子
- 先子星 [13]
與暗物質的關係
根據推測,活躍星系核能將暗物質轉化為高能質子。 聖彼得堡亞歷山大・弗里德曼理論物理實驗室的尤里・帕夫洛夫(Yuri Pavlov)和安德烈・格里布(Andrey Grib)推測,暗物質粒子的質量約為質子=的15倍,而且它們可以分解為成對、與普通物質相互作用的較重虛粒子。 [14] 如潘羅斯過程所描述的,這些粒子之一可能靠近活躍星系核,而另一个則逃逸。 那些粒子當中有會與入射的粒子碰撞;根據帕夫洛夫的說法,這是能量非常高的碰撞,可以形成具有高能量的一般可見的質子。 帕夫洛夫又宣稱,這種過程的證據就是超高能宇宙射線粒子。 [15] 超高能宇宙射線粒子也可能是由超重暗物質「X粒子」(例如黑洞子)的衰變而產生的。 [16] 這種能量甚高的衰變產物攜帶著X粒子質量的一部分,被認為合理解釋了我們觀察到的超高能宇宙射線。
參見
- 河外宇宙射線
- Oh-My-God粒子——出乎意料的超高能宇宙射線
參考文獻
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延伸閱讀
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外部連結
- The Highest Energy Particle Ever Recorded(页面存档备份,存于互联网档案馆) The details of the event from the official site of the Fly's Eye detector.
- John Walker's lively analysis of the 1991 event(页面存档备份,存于互联网档案馆), published in 1994
- Origin of energetic space particles pinpointed(页面存档备份,存于互联网档案馆), by Mark Peplow for [email protected], published January 13, 2005.