本文翻译自quantamagazine网站的文章Cosmic Map of Ultrahigh-Energy Particles Points to Long-Hidden Treasures作者| Natalie Wolchover
1939年，一位法国物理学家 皮埃尔·俄歇(Pierre Auger)在沿着阿尔卑斯山的一条山脊上放置了一些盖格计数器。他发现即使是盖格计数器之间相距，有时也能够同时自发地发出'咔哒'声。盖格计数器发出的'咔哒'声是由于接收到了宇宙线——这些来自宇宙空间的带电粒子击中了大气分子，引发了粒子簇射的'阵雨'并最终洒向了地面并被盖格计数器接收到。俄歇很快意识到：如果宇宙线要引发如此巨大的粒子簇射阵雨，那么它必须有极其高的能量。他在论文《广延宇宙线簇射》(Extensive Cosmic-Ray Showers)中写道：'很难想象有一个单一的过程可以让宇宙线加速到如此之高的能量。' 在建造出更大的由盖革计数器和其他类型的探测器阵列后，物理学家发现宇宙线所达到的能量至少比俄歇之前所预想的要高倍。 宇宙线就是原子核——成分是质子或者是质子和中子结合成的粒子团簇。此外，稀有的'极高能'(Ultrahigh-energy)宇宙线所携带的能量可以与职业网球选手击出的高速球能量相当。换句话说，这些极高能宇宙线比那些在欧洲大型强子对撞机(Large Hadron Collider, LHC)的长的圆形隧道中以光速绕转的质子的能量还要高出数百万倍！事实上人类检测到的最为高能的宇宙线事例被称为'OMG粒子'(Oh-My-God particle)，推算出来该宇宙线是以光速的 德国卡尔斯鲁厄理工学院(the Karlsruhe Institute of Technology)天体物理学家，同时也是阿根廷的皮埃尔·俄歇宇宙线天文台(Pierre Auger Observatory)共同负责人的拉尔夫·恩格尔(Ralph Engel)说：'我们人类必须建造与水星公转轨道一样大的对撞机，才能将质子加速到与OMG粒子相当的能量上去。' 但问题来了：宇宙中是什么加速机制让粒子可以具有如此之高的能量呢? 在俄歇发现广延大气簇射82年后的今天，天体物理学家认为超新星爆发(Supernova explosions)是产生这些极高能宇宙线的天体起源。超新星的加速能力并不足以产生这些极高能宇宙射。尽管这些极高能宇宙线的起源仍不确定，但最近的一系列研究进展大大缩小了候选高能天体源的搜索范围。  图1.从左至右分别是星暴星系，活动星系核和潮汐瓦解事件的艺术图，它们已经成为极高能宇宙线主要来源的最佳候选者.(图片来源: Quantamagazine) 皮埃尔·俄歇天文台拥有1600个粒子探测器和27台望远镜，点缀在一块面积与罗德岛大小相当的阿根廷大草原上。在过去的13年中，它记录了数十万条极高能宇宙线的阵雨。2017年，皮埃尔·俄歇天文台在《科学》(Science)上宣布了一项重大发现——能量高于的宇宙线在到达方向上呈现出大尺度的各向异性，置信水平高达5.2。 图2.阿根廷的Pierre Auger天文台由1600个如图所示的探测器组成.当宇宙线轰击大气时，产生的次级带电粒子阵雨会洒向地面探测器阵列.这些粒子穿过探测器内部的水时会产生闪烁的切伦科夫光.通过分析这些光信号，我们有机会了解到原初入射宇宙线的能量和方向.(图片来源: Nicolás Leal / Pierre Auger Collaboration) 最近，三位供职于纽约大学(New York University)的天体物理学家对极高能宇宙线大尺度各向异性行为提出了一种优雅的解释。丁晨(音译:Chen Ding)，诺米·格洛布斯(Noemie Globus)和格兰尼斯·法拉(Glennys Farrar)在《极高能宇宙线在大尺度结构上的印记》(The Imprint of Large Scale Structure on the Ultra-High-Energy Cosmic Ray Sky)一文中指出，极高能宇宙线的加速天体源并非稀有，而是可能广泛存在于宇宙中。 俄歇天文台和位于犹他州的望远镜阵列(Telescope Array)都发现了天空中微妙地分布着较小的流量偏高的极高能宇宙线'热点'。宇宙线'热点'的附近大概就是加速这些宇宙线的天体源的位置，某些候选天体源正好坐落在宇宙线'热点'上。 因为极高能宇宙线在传播过程中与星际介质碰撞会产生中微子，所以有些极高能中微子同样提供了极高能宇宙线源的线索。总的来说，最近的研究将会集中在三种主要候选源中寻找宇宙中超级强大的粒子加速器。而现在理论学家正忙于对这些天体进行建模，以检验它们是否确实能够产生足够高能的粒子。如果可以的话，就接着去分析它们是如何加速的。 这些极高能宇宙线起源的推测是全新的，不受任何以往数据的限制和约束。'如果你在更高的能标上审视宇宙，那么那些更高能标上的物理是我们之前从未探索过的，'恩格顿了顿，'我们马上就要迈入一片空白的研究领域里了。' 细微的各向异性要了解极高能宇宙线是由什么天体加速的，第一步是搞清楚这些宇宙线的来源。麻烦的是由于宇宙线带电，因此在星际磁场中穿行时，运动轨迹并非直指地球，所以地球上的我们无法确定宇宙线的来源。 此外极高能宇宙线非常罕见，平均下来地球每平方公里一年只能接收到一个。要确定极高能宇宙线到达方向上的分布情况，都需要从庞大的数据集中消除微妙的统计涨落。 没有人知道在极高能宇宙线在到达方向上表现出分布行为之前需要多少数据。物理学家花了数十年的时间建立了越来越多的探测器阵列却没有看出任何迹象。终于在1990年代初期，苏格兰的天体物理学家艾伦·沃森(Alan Watson)和美国物理学家吉姆·克罗宁(Jim Cronin)决定将宇宙线探测器阵列扩大到一个史无前例的规模——于是他们着手策划建造了占地的俄歇天文台。 最后，这么大的探测器阵列就足够了。当俄歇天文台的研究团队在2017年的《科学》中报告说，他们检测到南天北天之间存在细微各向异性时，其中来自天空中某个特定方向宇宙线粒子数多于平均值，而相反反向的天空中接收到的宇宙线粒子数少于平均值。沃森激动地说道，'自从1960年代以来，我在这个领域工作了很长时间，但我们第一次发现了极高能宇宙线方向呈现出各向异性。' 图3.极高能宇宙线分布呈现出6%的各向异性，这意味着产生极高能宇宙线的天体源可能广泛分布于宇宙.(上图)理论上如果临近的星系可以产生极高能宇宙线时的分布图，(下图)俄歇天文台观测到的极高能宇宙线分布.空白区域为俄歇天文台看不见的北天区.(图片来源: The Imprint of Large Scale Structure on the Ultra-High-Energy Cosmic Ray Sky arxiv.org/pdf/2101.04564) 但是俄歇天文台的观测数据也有令人困惑的地方。宇宙线过量的方向并不指向银河系中心附近的位置——这支持了长期以来极高能宇宙线来自银河系之外的假设。但从极高能宇宙线到达方向看去并没有发现高能天体：既不是某些蕴藏巨大能量的天体(比如邻近星系中的超大质量黑洞)，也不是位于银河系附近的处女座星团(Virgo cluster)，而是大犬座(Canis Major)附近的一个暗淡的黑点。 时任耶路撒冷希伯来大学(Hebrew University of Jerusalem)的博士后的诺梅·格洛布斯立即发现了一种解释这种模式的方法。她首先做了一个简单假设：宇宙中的每一物质都有相同的概率产生少量极高能宇宙线。然后，她绘制出了宇宙线从附近的星系，星系团和星团(统称为宇宙的大尺度结构)发出的宇宙线在微弱的星际磁场中将如何轻微弯曲的情况。自然地，她假设的地图只是大尺度结构本身经过的简单模糊处理，其中最高的宇宙线通量指向了处女座。 事实上，我们的银河系坐落在附近宇宙的大尺度结构之中。这些超星系团中的星系会发出极高能宇宙线，它们会在星际磁场的作用下发生航迹的扭曲并转向地球。(由于公众号嵌入问题，可以参考上传至sketchfab的交互图https:///3d-models/where-ultrahigh-energy-cosmic-rays-come-from-d97d7063d027486c9722caa21bbb4bed) 虽然格洛布斯的宇宙线超出'热点'没有与俄歇天文台的观测数据吻合，但她乐观地将原因归结为没有充分考虑银河系的磁场。2019年，格洛伯斯搬到纽约大学，与天体物理学家格伦尼斯·法拉合作，他与当时的研究生罗尼·詹森(Ronnie Jansson)合作开发了2012年银河系磁场模型。尽管还没有人知道为什么银河系的磁场会如此分布，但法拉和詹森还是从40,000次偏振光测量中推算出了银河系磁场的几何分布。他们确定了磁场线沿着银河系的旋臂顺时针和逆时针成弧形环绕，并从垂直于银盘面呈发散状，并随着银纬升高而扭曲。 法拉的研究生丁晨编写了代码，细化了格洛布斯从大型结构发出的极高能宇宙线图，然后输入通过由法拉和詹森建模的银河磁场模型中，得到了地球上极高能宇宙线的理论分布图。法拉说：'瞧，我们的计算结果与观察结果达成了非同寻常的一致。' 起源于处女座的宇宙线在银河系的扭曲场线中弯曲，以至于在地球上俄歇天文台观测到极高能宇宙线流量超出的中心位置是大犬座的方向。研究人员分析了不同能量的宇宙线所产生到达方向分布将如何变化，发现在仔细考虑星际磁场和银河系磁场后理论上宇宙线到达方向始终与俄歇天文台的数据的不同子集紧密匹配。 即使宇宙中的物质不一定都会产生极高能宇宙线，研究人员对极高能宇宙线起源的'连续模型'(Continuous Model)是一种行之有效的简化模型。连续模型惊人的成功说明了：实际上宇宙线的来源是非常丰富的，在所有物质中均匀分布，从而可以追溯到大尺度结构。之前提到的《极高能宇宙线在大尺度结构上的印记》获得了广泛的赞誉，而且这项研究将要发表在《天体物理学杂志快报》(Astrophysical Journal Letters)上。沃森评价道：'这确实是一个了不起的进步。' 目前存在三种产生极高能宇宙线的候选天体源，它们在宇宙中相对常见，但产生OMG粒子的可能性却很高。 伊卡洛斯之星在2008年，法拉和他的合著者在《巨型活动星系核耀斑和宇宙宇宙线爆发》(Giant AGN Flares and Cosmic Ray Bursts)一文中提出，灾难性的潮汐瓦解事件(Tidal Disruption Events, TDE)可能是极高能宇宙线的来源。 当恒星离超大质量黑洞太近时，就会发生潮汐瓦解事件。在潮汐力作用下，恒星靠近黑洞和远离黑洞的两端受到的引力差非常大，以至于该恒星就像神话中的伊卡洛斯那样被撕裂成碎片并吸入黑洞的深渊。整个吸积过程将持续约一年。当它持续存在时，两股由破裂恒星的亚原子碎片组成的喷流将从黑洞中沿两个相反的方向射出。然后在这些喷流中的激波和磁场共同作用下将原子核加速至极高能量，然后再将其弹射进入太空中。 潮汐瓦解事件在每个星系中大约每100,000年发生一次，这在宇宙学上等同于无时无刻不在发生的事件。星系就反映了宇宙中物质分布，因此潮汐瓦解事件可以证实'连续模型'的成功。 图4.格兰尼斯·法拉(Glennys Farrar)作为一个在纽约大学工作的天文学家，致力于通过银河系磁场了解极高能宇宙线行为.(图片来源: Courtesy of Glennys Farrar) 此外，潮汐瓦解事件具有相对短暂时标的特点解决了其他难题。当潮汐瓦解事件产生的宇宙线到达我们时，潮汐瓦解事件可能已经过去了数千年。来自同一潮汐瓦解事件产生的其他宇宙线在星际磁场的作用下可能会走分叉的弯曲路径，有些可能几个世纪后才能到达。潮汐瓦解事件的瞬态性质可以解释为什么宇宙线的到达方向的各向异性微乎其微，而且与已知天体的位置却没有强相关性。法拉谈到宇宙线的起源时说道：'我现在倾向于相信极高能宇宙线的产生主要是瞬态的过程。' 根据2月份《自然·天文学》(Nature Astronomy)报道的《与高能中微子相关联的潮汐瓦解事件》(A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino)，TDE假设最近得到了进一步的推动。 该论文的作者之一罗伯特·斯坦(Robert Stein)于2019年10月在加利福尼亚操作一台名为暂现源巡天的望远镜(Zwicky Transient Factory)时，碰巧已到了南极州IceCube中微子观测站发出极高能中微子的警报。当甚至更高能量的宇宙线在产生它们的环境中与光或物质发生散射时，就会产生高能中微子。幸运的是中微子是电中性的，它将直线运动，因此它们直接指向宇宙线的源头。 斯坦用望远镜朝着IceCube探测到的中微子的到达方向进行了观测。他说：'我们立即看到中微子到达的位置发生了潮汐瓦解事件。'这种巧合很有可能说明潮汐瓦解事件至少是极高能宇宙线的一种来源。但是，这次中微子的能量可能太低，无法证明潮汐瓦解事件可以产生最高能量的宇宙线。一些研究人员强烈质疑这些瞬变源是否能将原子核加速到所观察到的宇宙线能谱的最末端。理论物理学家仍在探索这些事件首先如何加速粒子。与此同时，其他事实也引起了一些研究人员的关注。 星暴超级星风俄歇天文台和位于犹他州的望远镜阵列等宇宙线观测站也发现了一流量偏高的极高能宇宙线'热点'。2018年，俄歇发表了《通过与银河系外伽马射线源的通量图比较，证明超高能宇宙射线到达方向的各向异性》(Indication of anisotropy in arrival directions of ultra-high-energy cosmic rays through comparison to the flux pattern of extragalactic gamma-ray sources)论文。在宇宙线传播过程中，离我们更远的宇宙线会因为传播而损失更多的能量，论文将几亿光年内的天体与极高能宇宙线'热点'进行了位置上的符合比较。 在相关性分析中，没有一种类型的天体脱颖而出。这也可以理解，因为宇宙线会在磁场的作用下发生偏转。但是大约的宇宙线来自的地方均落在所谓的'星暴星系'方以内这一强相关性的结果还是震惊了不少人。'星暴星系它们最初不在我的考虑范围内内'俄歇天文台团队成员并供职于卡尔斯鲁厄理工学院的迈克尔·昂格(Michael Unger)说。 在相关性分析中，没有一种类型的天体脱颖而出。这也可以理解，因为宇宙线会在磁场的作用下发生偏转。但是大约的宇宙线的方向落在了所谓的'星暴星系'周围以内的天空里这一强相关性的结果还是震惊了不少人。'星暴星系它们最初不在我的考虑范围内。'俄歇天文台团队成员并供职于卡尔斯鲁厄理工学院的迈克尔·昂格(Michael Unger)评价道。 图5.宇宙线是如何加速的.目前认为最有效的方式是费米激波加速机制，超新星爆发产生激波会让周围等离子体形成的磁场出现湍流，粒子在激波面中反复被反射加速，直到无法被磁场束缚逃逸出去. 纽约城市大学雷曼学院的天体物理学家路易斯·安科多基(Luis Anchordoqui)最为激动，他在1999年的《宇宙射线能谱的末端有重核吗?》(Heavy nuclei at the end of the cosmic-ray spectrum?)一文中提出了星爆星系是极高能宇宙线的起源的假说。他说：'这样说可能有个人主观成分在里面，因为我是那个提出目前数据所倾向的星暴星系起源的那个人。' 星暴星系里会有许多巨大的恒星被源源不断地被制造出来。巨大的恒星生长得很快，并在超新星爆炸中死亡，而安科多基认为所有超新星的集体冲击波形成的'超级星风'(Starburst Superwinds)是将宇宙线加速到我们发现的令人难以置信的速度的原因。 并非所有人都敢肯定这种机制会起作用。'但问题是这些冲击波能有多快?'海德堡大学(Heidelberg University)的天体物理学家弗兰克·里格(Frank Rieger)说。'我应该希望那些星暴星风能将粒子加速到最大的能量吗? 目前我对此表示怀疑。' 其他研究人员则认为，星爆星系内部可能存在宇宙线加速器，而相关性研究只是从这些其他物体的大量中发现。法拉说：'作为一个支持将瞬态事件视为极高能宇宙线天然源的人，它们在星爆星系中相当丰富，因此我没有遇到任何疑问。' 活动星系在相关性分析中，还有一种被称为活动星系核(active galactic nuclei, AGN)的天体，相关性稍逊于之前提到的星暴星系。活动星系核是位于活动星系的中心的被炽热的等离子体包围了中央超大质量黑洞。黑洞在吸入等离子体后会喷出巨大而持久的喷流。 活动星系核中最为高能和明亮的一类是射电噪活动星系核(radio-loud AGNs)，同时射电噪活动星系核也是宇宙中最为明亮的恒定源。但是这些强大的射电噪活动星系核在宇宙中着实太过罕见，从而无法通过丁晨，格洛布斯和法拉的'连续模型'检验，以至于它们不可能成为大尺度结构的示踪剂。 实际上，在我们的宇宙近邻中，几乎没有射电噪活动星系。里格说：'射电噪活动星系核它们是很好的极高能宇宙线候选天体源，但它们不在我们银河系的后院。' 不太强大的射电噪活动星系核更常见，并且可能类似于连续模型。例如，半人马座A(Centaurus A)是最近的射电噪活动星系核，就位于在俄歇天文台最显著的热点上(星爆星系也是如此)。长期以来，里格和其他专家一直在努力寻找低功率活动星系核，并设法将将质子加速到OMG粒子水平。最近的发现使活动星系核重新挤进极高能宇宙线候选源的行列中。 天体物理学家早就知道，所有宇宙线中约有90％是质子(即氢核)；另有9％是氦原子核。宇宙线也可以是较重的原子核，例如氧核甚至铁核。但长期以来天体物理学家一直认为加速极高能宇宙线所需的剧烈过程会使重的原子核碎裂成轻原子核。 然而在2010年代早期的时候，俄歇天文台的观测数据中，科学家从空气喷淋的形状惊奇地推断出极高能宇宙线主要是中等重量的核，例如碳，氮和硅的原子核，详情见《俄歇天文台最近的观测结果》(Recent results from the Pierre Auger Observatory)。这些原子核在以较低速度运动时就与极高速的质子具有了相同的能量。反过来，这个观测结果让天体物理学家更容易想象宇宙线加速器候选源将如何工作。 例如，在里格发表的《极高能宇宙线和活动星系核喷流》(UHE Cosmic Rays and AGN Jets)一文中，他已经确定了一种机制，可以使低功率的活动星系核将宇宙线加速到极高能量——粒子可以沿活动星系核喷流表面漂移，每次重新进入喷流的最快部分时都会被加速弹出然后又落入喷流。里格说：'在这种情况下，可以用低功率射电噪活动星系核完成极高能宇宙线的加速，而且低功率射电噪活动星系核在我们的银河系后院会有很多。' 在另一篇论文《被潮汐瓦解的恒星可能是宇宙射线和中微子在最高能量下的天体起源》(Tidally disrupted stars as a possible origin of both cosmic rays and neutrinos at the highest energies)探讨了潮汐瓦解事件是否自然会产生中等重量核。亚利桑那州立大学(Arizona State University)天体物理学家塞西莉亚·卢纳迪尼(Cecilia Lunardini)说：'如果发生潮汐瓦解事件的星星是白矮星，那就有可能发生。因为白矮星碰巧就是由碳，氮元素构成。当然任何'不幸的恒星'都可能发生潮汐瓦解事件。但是宇宙中有很多白矮星，所以我不认为白矮星发生潮汐瓦解事件产生这些极高能宇宙线重核这个构想是一件非常人为的东西。' 研究人员继续探索能量最高的宇宙线倾向是重核的物理本质。但至少他们都会同意解释将重核加速到极高能量比轻原子核要更容易。里格说：'朝着高能量的重成分的思路去研究让解释加速机制这个事情轻松了不少。' 主要产生极高能宇宙线的天体源随着极高能宇宙线加速器候选源的简短清单逐渐完善，新的观察结果将左右这些候选源谁去谁留。每一个人都会为俄歇天文台的次世代升级计划AugerPrime感到兴奋，该计划将在今年晚些时候开始实施。升级过后的AugerPrime天文台将确定每个宇宙线事件的核子成分，而不是估计极高能宇宙线整体的成分。这样研究人员就可以分离出质子的宇宙线事件，质子在到达地球的过程中受磁场影响偏转最小，然后我们回头查看它们的到达方向以识别各个天体源。当然，这些天体源可能也会产生更重的核。 许多专家怀疑，极高能宇宙线能谱是由多种天体源共同的贡献产生的。但他们通常希望一种天体源类型起主要贡献，而且有只有一种天体源可以将宇宙线加速到能谱上的最高能量上。昂格评价道：'我敢打赌只有一种天体候选源会留下来。'
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