宇宙中的射线的威力(超高能宇宙射线的来源)

宇宙射线是一种干扰。它们常常笼罩在神秘之中，但它们也是我们了解银河系的窗口。它们源于高能爆炸粒子(主要是质子)，当它们撞击大气层时，会带来其他高能粒子的“雨”。
不管我们喜欢与否，它们总是像图像上的条纹或计算机内存中的错误一样出现。更直接的是，它们干扰了全世界的暗物质和中微子探测器，这是每一个研究者的烦恼。
话虽如此，宇宙射线依然神秘，吸引了无数物理学家“一个接一个”。他们从哪里来？这个问题直到几年前还是有争议的。
而且事实证明，随着恒星的爆炸，与冲击波相关的磁场可以将粒子加速到约1015电子伏的能量(相比之下，LHC欧洲大型粒子对撞机的工作能量约为1012电子伏)。
银河系中的费米气泡是图中央密集的红色斑块。
但这并不能解释所有的宇宙射线。还有一些探测到的能量更高的宇宙射线，对我们来说还是个谜。
目前有科学家认为，这些能量更高的宇宙射线也可能来自超新星爆发，但形式是间接的：首先粒子必须先跑出银河系，被冲击波击中后再“脸红”回来。
支持这种说法的证据之一来自一个简单的计算。如果计算超新星以宇宙射线形式释放的平均能量，用大地测量标准估算宇宙射线的总通量，你发现几乎所有的宇宙射线都应该来源于超新星爆发。而超高能射线(1015-1019eV)是如此罕见，以至于几乎是一个估计错误，被归类为“由超新星产生”。
但是这个计算有一个很大的问题：宇宙射线的能量越高，散射越强，所以超高能量的宇宙射线应该来自附近(否则因为散射，能量会很弱，到达地球时我们观测不到)。我们应该能够直接观察到那颗超新星产生的其他辐射，并确定它们的来源，否则超新星应该会在辐射的“烟雾”中覆盖地球的轮子。
最新研究表明，要解决这个问题，首先需要找到费米气泡。费米伽马射线望远镜发射后，观测到两个从银河系中心辐射出来的气泡(实际上是德国X射线望远镜首次发现)。当电子被加速到非常高的能量时，这些气泡会发出伽马射线，就像天然的粒子加速器一样。
目前认为费米气泡是由银河系中心区域大尺度事件的冲击波引起的。冲击波会迅速从事件中心向外扩散，并加速其路径上的所有带电粒子，包括那些起源于超新星、已经很快的宇宙射线。
你可能想知道冲击波是如何追上快速移动的宇宙射线的。答案来自宇宙射线的传播方式。虽然它们的速度很快，但它们不能直线运动，因为它们是带电的，它们会随着任何经过的东西散射，包括宇宙微波背景辐射，并随着时间的推移而失去能量。
所以大量来自银河系中心的冲击波会追上这些宇宙射线，再次加速。这些宇宙射线中的一些将返回我们的星系，“困惑”物理学家。
为了检验这一假设，研究人员建立了冲击波的简化模型，研究宇宙射线被冲击波加速后会发生怎样的变化。在研究中，他们使用宇宙射线的传播模型来估计费米气泡发出的射线会如何影响模型中在地球上观测到的宇宙射线通量。结果表明，通过引入一个自由参数，该模型与辐射能量约为1019eV的观测辐射通量一致。
虽然这个模型仍然无法解释能量高于1019eV的罕见超高能宇宙线，但宇宙线领域的谜题正在逐渐被解开。当然，目前还不能说模型是正确的。它是否正确，将取决于未来对费米气泡更好的观测，以及我们对费米气泡形成机制更深的理解。