神秘的高能宇宙射线到底源于何处？这种“气泡”可能是源头

宇宙射线是一种干扰，它们往往带着神秘的面纱，但也是我们窥视银河的窗口。它们源于高能爆发的粒子（多为质子），并在撞击大气层时带来其他高能粒子的“雨”。

不管我们愿不愿意，它们总会像图像上的条纹或计算机内存中的错误那样出现。更直接的说，它们干扰着全球各地的暗物质和中微子探测器，对每个研究人员来说都是一种麻烦。

话虽如此，宇宙射线仍然神秘，吸引着无数物理学家“前仆后继”。它们从哪来？这个问题直到几年前还有争议性。

而事实证明，随着恒星的爆炸，与冲击波有关联的磁场可以将粒子加速到大约1015电子伏特（Electron Volts）的能量（相比之下，LHC欧洲大型粒子对撞机在约1012eV的能量下工作）。

图丨银河系的费米气泡为图中心区域红色密集斑块

但这并不能解释全部的宇宙射线，也有一些已检测到的具有更高能量的宇宙射线，它们对我们来说仍是一个谜。

目前，有科学家认为，这些具有更高能量的宇宙射线可能也来自超新星爆炸，但是以一种间接的形式：首先，粒子必须先跑出银河系，然后在被冲击波冲击后再“红着脸”跑回来。

支持该说法的证据之一源于一个简单的推算，如果计算宇宙射线形式的超新星平均能量释放量，并用地球测量标准来估计宇宙射线的总通量，你发现几乎所有的宇宙射线都应该源于超新星爆炸。而超高能射线（1015-1019eV）是如此的罕见，因此它们归类为“由超新星产生”几乎是一种估算错误。

但该推算存在一个大问题：宇宙射线的能量越高，散射越强，所以具有超高能量的宇宙射线应该来自附近才对（不然太远的话，因为散射，传到地球的时候能量会变得很弱，以至于我们观测不到）。我们应该能直接观测到那颗超新星产生的其他辐射，并确定它们的来源，或着超新星应该会让地球轮罩在辐射的“烟雾”中。

最新的研究显示，要解决这个问题，我们首先需要发现费米气泡。在费米伽玛射线望远镜（Fermi Gamma-ray Telescope）发射后，它观测到从银河系中心辐射出的两个气泡（实际上是德国X射线望远镜首先发现）。当电子加速到非常高的能量时，这些气泡会放出伽马射线，就像一个天然的粒子加速器。

人们目前认为，费米气泡由银河系中心区域大规模事件的冲击波造成。冲击波会从事件中心迅速向外扩散，并加速其传播路径上的所有带电粒子，包括那些源自超新星，速度已经很快的宇宙射线。

你可能会想知道，冲击波是如何赶上快速移动的宇宙射线的。答案源于宇宙射线的行进方式，它们虽然速度很快，但并不能直线移动，因为它们本身带电，会与包括宇宙微波背景辐射在内路过的任何东西发生散射，并随着时间的推移失去能量。

因此，来自银河中心的大量冲击波会赶上这些宇宙射线，并为它们再加速。这些宇宙射线中的一些会返回我们所在的星系，“迷惑”物理学家。

为了检验这种设想，研究人员建立了一个冲击波的简化模型，并以此研究了宇宙射线在被冲击波加速后会如何变化。在研究中，他们用宇宙射线的传播模型估计了源自费米气泡的射线会怎样影响模型中地球上所观察到的宇宙射线通量。结果表明，通过引入一个自由参数，模型与现实观察到的射线能量高达约1019eV的射线通量相符。

虽然该模型仍无法解释能量高于1019eV的罕见超高能宇宙射线，但宇宙射线领域的谜题正被逐渐解开。当然，我们目前并不能说该模型就是对的，其正确与否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理的更深理解。

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编辑：Peter  校审：黄珊

参考：https://arstechnica.com/science/2017/09/highest-energy-cosmic-rays-bounce-off-bubble-irradiate-earth/

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