超高能宇宙射线
在粒子天文物理中,超高能宇宙射线(英语:Ultra-high-energy cosmic ray,UHECR)是指能量高于1 EeV(1018电子伏特,相当约0.16焦耳)的宇宙射线,其能量远高于其他典型宇宙射线的静质量与能量。
极高能宇宙射线(英语:Extreme-energy cosmic ray,EECR)是能量超过5×1019 eV(相当约8焦耳)的UHECR。5×1019 eV这个值即所谓GZK极限,指的是长距离行进(约1.6亿光年)的宇宙射线质子会因为宇宙微波背景(CMB)中光子的散射,导致能量有上限。因此,EECR不可能自早期宇宙就存在至今,而是宇宙学上较“年轻”的宇宙射线,而且因某种未知的物理过程而从本超星系团的某个位置发射出来。如果EECR不是质子,而是核子数为 的原子核,那么GZK极限也适用该核子数,只是原子核的总能量限制前带有 的分数。对于铁原子核,相应的极限会是×1021 eV 。但是,核物理过程导致铁原子核的极限与质子相近。其他高丰度的原子核其极限甚至更低。 2.8
这些粒子非常稀有;在2004年至2007年之间, 皮埃尔・奥格天文台 (PAO)初始运行时检测到27起事件,估计它们抵达天文台时能量超过 ×1019 eV ,也就是说,该天文台所调查的 3000 km2 面积之中大约每四周就发生一次这样的事件。 5.7[1]
有证据显示,这些最高能量的宇宙射线可能是铁原子核 ,而不是构成大多数宇宙射线的质子。 [2]
人们推定EECR的(假说性的)发射源称为捷伐加速器(Zevatron),其命名就如同劳伦斯・柏克莱国家实验室的贝伐加速器(Bevatron),以及费米实验室的兆电子伏特加速器(Tevatron)一样,所以能够将粒子加速到1 ZeV(1021 eV,皆电子伏特)。基于星系喷流内部的冲击波可引起粒子的扩散加速,星系喷流在2004年一度被考虑可能就是Zevatron。特别是,模型表明,附近M87星系喷流冲击波可能将铁原子核加速到ZeV范围。 [3] 2007年,皮埃尔・奥格天文台观测到EECR与附近星系中心的河外超大质量黑洞(叫做活跃星系核)具有关联性。[4] 然而,随着持续的观察,两者关联性的强度变得越来越弱。虽然最新的结果显示这些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]但活跃星系核磁层中加速度的离心机制也可以解释极高的能量[5] 。 格里布(Grib)和帕夫洛夫(Pavlov)(2007,2008)的提出一个更具推测性的建议,是设想超重暗物质通过潘罗斯过程的衰变 。
观测史
1962年,约翰・D・林斯利(John D Linsley)博士和利维奥・斯卡西(Livio Scarsi)博士在新墨西哥州的火山牧场实验中首次观察到能量超过×1020 eV(16 J)的宇宙射线粒子。 1.0[6] [7]
从那之后,人们就观测到具有更高能量的宇宙射线粒子。 其中包括1991年10月15日晚上,在犹他州Dugway试验场上 ,由犹他大学的“苍蝇眼”(Fly's eye)实验观察到的Oh-My-God粒子 。该次观测结果震惊了天文物理学家 ,他们估算其能量约为×1020 eV(50 J) 3.2[8] ——换句话说, 原子核的动能相当于以时速100公里(时速60英里)飞行的棒球(142克或5盎司)。
超高能宇宙射线天文台
可能的解释
中子星
活跃星系核
UHECR与蓝移的宇宙微波背景辐射会发生相互作用,这限制了UHECR在失去能量之前可以行进的距离;这就是Greisen–Zatsepin–Kuzmin极限(GZK极限)。
其他可能来源
UHECR的其他可能来源是:
- 强大的电波星系的无线电波瓣(radio lobes)
- 在星系形成时期产生的星系间冲击波
- 超新星 [9]
- 相对论超新星 [10]
- 伽马射线暴 [11] [12]
- 拓扑缺陷产生的超大规模粒子的衰变产物,是早期宇宙相变留下的产物
- 经历潘罗斯效应的粒子
- 先子星 [13]
与暗物质的关系
根据推测,活跃星系核能将暗物质转化为高能质子。 圣彼得堡亚历山大・弗里德曼理论物理实验室的尤里・帕夫洛夫(Yuri Pavlov)和安德烈・格里布(Andrey Grib)推测,暗物质粒子的质量约为质子=的15倍,而且它们可以分解为成对、与普通物质相互作用的较重虚粒子。 [14] 如潘罗斯过程所描述的,这些粒子之一可能靠近活跃星系核,而另一个则逃逸。 那些粒子当中有会与入射的粒子碰撞;根据帕夫洛夫的说法,这是能量非常高的碰撞,可以形成具有高能量的一般可见的质子。 帕夫洛夫又宣称,这种过程的证据就是超高能宇宙射线粒子。 [15] 超高能宇宙射线粒子也可能是由超重暗物质“X粒子”(例如黑洞子)的衰变而产生的。 [16] 这种能量甚高的衰变产物携带着X粒子质量的一部分,被认为合理解释了我们观察到的超高能宇宙射线。
参见
- 河外宇宙射线
- Oh-My-God粒子——出乎意料的超高能宇宙射线
参考文献
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延伸阅读
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- Clay, R.; Dawson, B. Cosmic Bullets: High Energy Particles in Astrophysics. Perseus Books. 1997. ISBN 978-0-7382-0139-9.
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- The Pierre Auger Collaboration; Abreu; Aglietta; Aguirre; Allard; Allekotte; Allen; Allison; Alvarez. Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects. Science. 2007, 318 (5852): 938–943. Bibcode:2007Sci...318..938P. PMID 17991855. arXiv:0711.2256
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外部链接
- 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.