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2017-9-28

敲定特高能宇宙线的河外起源

归档于: 天文空间科学, 知识理论 @ 4:27 pm

能量最高的带电宇宙线粒子的来源长久以来是个谜。银河系内并没有什么已知场所能将一个小小的质子或原子核加速到动能1018电子伏特以上的“特高能”级别,但一直被人看好的河外起源说也迟迟没能得到确认——毕竟粒子能量越高,数量越少。地球上每平方千米平均每100年才能迎来一个能量达到1020电子伏特的特高能宇宙线粒子(UHECR),想作出确切探测谈何容易。10年前,尚未完工但业已投入使用的Pierre Auger宇宙线观测站依靠最初的一批观测声称,UHECR应该源于活动星系核,在业内引起轰动的同时又带来了大量争议。而就在不久之前,同样的一个团队再度宣布,经过多年的数据积累,他们可以确认这些具有宏观级别能量的微观粒子的确来自河外。

当以质子为主的高能宇宙线粒子在进入地球大气时,会与高空中的原子核相撞,并产生大量的次级粒子,而次级粒子再与周边的气体相互作用,诱发级联反应,最终在抵达地面时,整个过程会生成数以十亿甚至百亿计的次级粒子,其分布范围可以广至数平方千米甚至更大。

座落在阿根廷西部草原上、占地3000平方千米的Pierre Auger观测站搜索的就是这些次级簇射粒子,其方法有二——1600台地面水探测器利用粒子与水罐中的纯净水相互作用来研究高能粒子,而其他探测器则巡视着天空,找寻着高能粒子与空气作用发出的各种电磁辐射,从带电粒子在地磁场中运动产生的射电信号,到无月晴夜下的暗弱切伦科夫光,不一而足。

艺术家笔下正在探测宇宙线簇射的Pierre Auger观测站的水探测器。(图片提供:A. Chantelauze/S. Staffi/L. Bret)

自2004年初开始运行以来一直到去年,Pierre Auger总共探测到了32000余个能量高于8×1018的带电宇宙线粒子。这样的能量是何等概念?要知道将一台笔记本电脑举高一尺所消耗的能量大致如此;而如今最强大的加速器——大型强子对撞机也不过能将质子加速到7×1012左右,比这些粒子的能量足足低了上百万倍。所以这些粒子是具备可观的宏观级动能的。

Pierre Auger观测站通过比较同一簇射事件期间不同探测器的信号到达时间,可以还原出它们在天空中的来源方向。而且与数量更多的低能粒子相比,UHECR虽然数量稀少,但也有着自己的独到优势:它们的能量足以让自身在星际或星系际空间自由穿行,不太会受背景磁场的影响,因此只要样本足够多,就不难判断出这些粒子的源头。相反,低能宇宙线的定向就要困难得多了。

这些特高能粒子在天空中的分布并不均匀。在一处远离银盘的较宽天区中,高能宇宙线的密度较可观测天区的平均值高6%,这明显与河内起源不符——由于传统上认为超新星遗迹等天体是带电粒子加速区,而这些天体大多沿银盘分布,若粒子来源于河内,理应集中于银盘附近。就算考虑银心特大质量黑洞可能的加速作用,这个UHECR相对富集的区域在位置上也和银心相差了120度,所以河内任何加速区都不会是特高能粒子的主要源头。

32187个特高能宇宙线事件在天空中的分布。图中红色表示事件数量稍多的天区,十字表示此天区的中心,两个不规则的实线圈分别表示68%和95%的置信水平范围。(图片提供:The Pierre Auger Collaboration)

更确切地说,考虑银河磁场对特高能宇宙线微小的偏折作用,这样的分布更接近3亿光年外星系的分布,与长久以来的猜测一致。不过与2007年Pierre Auger小组使用区区27个特高能事件样本判定这类粒子与活动星系核成协相比,这次的结论并未指明UHECR特高能粒子具体的起源,明显保守了很多也可靠了很多。当然,活动星系核仍旧是最可能的来源之一,但现在并不能拍板钉钉地打包票。

接下来就是积累更多数据,并尝试将特高能宇宙线事件与已知的河外天体更可靠地建立关系了。同时,中国四川甘孜州的LHAASO也在今年早些时候开始了建设工作,落成后它将取代Pierre Auger,成为世界最大的宇宙线探测器,不知落成后这里将为人们带来怎样的新知。

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