能量超乎想象的宇宙線，會(huì)是超重原子核嗎？

能量超乎想象的宇宙信使

宇宙線是來自外太空的亞原子粒子，比如質(zhì)子（也就是氫的原子核）等，以接近光速的速度在空間中傳播。

在討論宇宙線的能量時(shí)，我們用到的最基本單位是電子伏特 （eV）。宇宙線的能量范圍很廣，最常見的是能量最低的那些，比如來自太陽的宇宙線。當(dāng)宇宙線的能量超過1艾電子伏特（EeV：1 EeV =101?eV）時(shí)，就可以被稱為 特高能宇宙線 。這一能量比人造粒子加速器所能達(dá)到的最高能量還要高出100萬倍。

2021年，美國猶他州的望遠(yuǎn)鏡陣列探測到了有記錄以來最極端的事件之一——一個(gè)能量高達(dá)244 EeV的粒子，后來被取名為“天照粒子”（Amaterasu particle）。這樣的能量水平，可與迄今觀測到的最高能宇宙線——“Oh-My-God粒子”——相媲美，Oh-My-God粒子于1991年被探測，據(jù)估計(jì)其能量約為320 EeV。

自從首例特高能宇宙線被報(bào)道以來，它們的起源和加速機(jī)制在50多年里一直是一個(gè)懸而未解的謎題。

如今，一項(xiàng)新發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》上的研究，為迄今觀測到的這些最高能粒子的起源之謎，提供了一種“超重”的解釋：這些特高能宇宙線可能是由比鐵更重的原子核構(gòu)成。

是超重原子核？

要理解特高能宇宙線的能量尺度，我們可以做一個(gè)類比：天照粒子的能量大致相當(dāng)于一個(gè)高速運(yùn)動(dòng)的網(wǎng)球所具有的動(dòng)能。如此高能的宇宙線，通常被認(rèn)為只能源自于宇宙中的一些極端的天體物理源，例如兩顆中子星發(fā)生碰撞，或者一顆大質(zhì)量恒星發(fā)生坍縮。當(dāng)觀測到這樣的宇宙線事件時(shí)，研究人員可以根據(jù)它們的能量分布、到達(dá)方向、預(yù)期的磁場偏轉(zhuǎn)，以及通過統(tǒng)計(jì)方法獲得的組成，來推斷這些粒子的來源以及它們?nèi)绾伪患铀俚摹?/p>

然而，當(dāng)天文學(xué)家這樣做時(shí)，發(fā)現(xiàn)天照粒子的來向指向太空中的一個(gè)宇宙巨洞——那里并沒有明顯的特高能宇宙線源。

在新的研究中，為了理解哪些類型的粒子能夠以如此極端的能量抵達(dá)地球，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了詳細(xì)的計(jì)算模擬，分析了不同大小的粒子在穿越星系際空間時(shí)，其能量會(huì)如何變化。

原子核是原子中心極其微小的核心，由質(zhì)子和中子構(gòu)成。它們幾乎包含了原子的全部質(zhì)量，卻只占據(jù)原子體積極小的一部分。研究團(tuán)隊(duì)通過計(jì)算發(fā)現(xiàn)，超重原子核在穿越星系際空間時(shí)，能量損失的速度可能比質(zhì)子或較輕原子核更慢。在與天照粒子相當(dāng)?shù)哪芰肯拢?strong>超重原子核的能量損失低于質(zhì)子或中等質(zhì)量原子核，因此它們更有可能跨越宇宙尺度的距離，并以極高能量抵達(dá)地球。

最有可能產(chǎn)生并加速這類超重原子核的場所，是大質(zhì)量恒星死亡時(shí)發(fā)生的劇烈坍縮過程，例如坍縮形成黑洞或強(qiáng)磁化中子星；此外，還包括雙中子星并合——這已知是強(qiáng)大的引力波來源。

新的約束

這樣的計(jì)算結(jié)果對(duì)超重原子核在已觀測的特高能宇宙線總體中所占的貢獻(xiàn)提出了新的約束，有助于縮小能夠?qū)⑦@些粒子加速到如此高能量的宇宙源范圍。

研究人員表示，如大質(zhì)量恒星死亡以及雙中子星并合等劇烈的宇宙現(xiàn)象還可以驅(qū)動(dòng)伽馬射線暴。而分析這些事件，還可能有助于解釋特高能宇宙線能譜中的南北天空之間可能存在的差異。如果超重原子核在最高能段有顯著貢獻(xiàn)，那么未來數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)顯示，其成分比鐵還重。

但研究人員強(qiáng)調(diào)，這并不是說所有特高能宇宙線都是超重原子核，而是表明，如果某些最高能事件確實(shí)來自超重原子核，那么這將影響我們尋找其來源的方式。

研究人員指出，下一代觀測設(shè)施有望檢驗(yàn)這些信號(hào)。此外，對(duì)涉及黑洞和強(qiáng)磁化中子星的宇宙爆發(fā)現(xiàn)象開展進(jìn)一步理論研究，可能有助于厘清超高能宇宙線的起源。

#參考來源：

https://www.psu.edu/news/eberly-college-science/story/ultrahigh-energy-cosmic-messengers-may-carry-ultraheavy-secrets

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/221m-gvs3

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5095

https://www.eurekalert.org/news-releases/1008434

#圖片來源：

封面圖&首圖：B. T. Zhang and K. Murase, using Google Slides and its AI-assisted features