原文標(biāo)題：《【宇宙雜談】在超高能宇宙線(xiàn)面前，伽馬射線(xiàn)暴就是個(gè)弟弟?。ㄎ淖职妫?/span>
作為足以充當(dāng)“大過(guò)濾器”的宇宙高能事件，伽馬射線(xiàn)暴（GRB）有多高能想必大家多少都有了解。但是伽馬暴畢竟是一大束光子，如果只看單個(gè)光子的話(huà)，它的能量頂多在 TeV 這個(gè)級(jí)別。眾所周知，當(dāng)今最大的粒子加速器 —— 大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）可以將質(zhì)子加速到接近光速，此時(shí)一個(gè)質(zhì)子能量也可以達(dá)到伽馬暴的 TeV 級(jí)別。雖說(shuō)一個(gè)是光子，一個(gè)是質(zhì)子，后者占了質(zhì)量上的優(yōu)勢(shì)，但小小的人類(lèi)竟然真能有“比肩神明”的能力？對(duì)此宇宙表示：“我只想說(shuō)兩個(gè)字 —— 呵呵。”
宇宙線(xiàn)即宇宙射線(xiàn)，它是來(lái)自宇宙空間的高能粒子，主要由亞原子粒子（比如質(zhì)子）構(gòu)成。對(duì)于一些超高能的宇宙線(xiàn)，它單個(gè)粒子的能量可以超過(guò) 100EeV，是目前大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的上千萬(wàn)倍！除了具有匪夷所思的能量外，這些宇宙線(xiàn)的身世也是個(gè)迷。雖然距離首次發(fā)現(xiàn)宇宙線(xiàn)已過(guò)百年，但是“這些神秘粒子是哪來(lái)的”，“當(dāng)初是什么東西把它們加速到了如此高的能量”，這些問(wèn)題一直困擾著科學(xué)家們。想要搞清楚事情的來(lái)龍去脈，還是得從源頭上找起。
然而我們知道，質(zhì)子是一種帶正電的粒子，由于攜帶電荷，它們的運(yùn)動(dòng)會(huì)受磁場(chǎng)作用而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。不管是銀河系還是河外星系，宇宙中能對(duì)粒子產(chǎn)生影響的星際磁場(chǎng)并不罕見(jiàn)。因此，這些粒子很可能在來(lái)的路上就已經(jīng)“山路十八彎”了，想找到源頭極為困難。
“只要思想不滑坡，辦法總比困難多” 真要尋找源頭，辦法也不是沒(méi)有。理論認(rèn)為，當(dāng)帶電粒子的能量足夠高時(shí)，其運(yùn)動(dòng)受到的影響就小了。所以找到更高能量的粒子或許就是一個(gè)辦法。
1991 年 10 月 15 日，美國(guó)猶他州的“蠅眼”宇宙線(xiàn)探測(cè)器捕捉到了一次超高能的粒子事件。迄今為止，它仍是人類(lèi)觀測(cè)到的具有最高能量的宇宙射線(xiàn)，單個(gè)粒子能量達(dá)到了驚人的 320 EeV！
320 EeV 有多高呢？如果換算成熟悉的焦耳，這個(gè)能量差不多相當(dāng)于你往地上扔了一塊磚！要知道，這可是一個(gè)小小的微觀粒子所具有的能量！以至于目睹這一事件的科學(xué)家們直呼：“Oh My God!” 于是，這一粒子也有了個(gè)響亮的名字 ——“Oh-My-God 粒子（Oh-My-God particle）”。
你可能會(huì)好奇：一個(gè)粒子真能有這么大勁？那假如它當(dāng)初沒(méi)有打到探測(cè)器上，而是打到了某個(gè)人身上會(huì)怎么樣？
答案是：不會(huì)怎樣，完全感覺(jué)不到。因?yàn)檫@只是單個(gè)粒子，數(shù)量太少，關(guān)鍵它還非常小。你想想：一個(gè)質(zhì)子，比原子核還要小，對(duì)它來(lái)說(shuō)你整個(gè)人幾乎就是個(gè)空架子，所以大概率上它會(huì)直接從你體內(nèi)穿過(guò)。但是當(dāng)粒子足夠多時(shí)，構(gòu)成人體組織的粒子被擊中的概率就大了，這也是宇航員要避免長(zhǎng)期暴露在宇宙射線(xiàn)中的原因。
而對(duì)于地球上的我們來(lái)說(shuō)，鑒于地球磁場(chǎng)的存在，宇宙線(xiàn)中的大部分高能粒子都會(huì)被地磁偏轉(zhuǎn)。即使存在一些漏網(wǎng)之魚(yú)，它們也會(huì)在進(jìn)入大氣層后與大氣中的氮、氧等元素的原子核發(fā)生碰撞，形成次級(jí)粒子，這樣原本粒子的能量就被大大削弱了，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為“大氣簇射”也叫“空氣簇射”。
另外，宇宙線(xiàn)的能量越高，粒子就越稀少，能量超過(guò) 100EeV 的超高能粒子就更為罕見(jiàn)。當(dāng)前理論認(rèn)為，當(dāng)粒子的能量超過(guò) 60EeV 時(shí)，它會(huì)與宇宙微波背景輻射的光子發(fā)生相互作用，從而削弱其能量。所以，Oh-My-God 粒子的能量之高，意味著它或許來(lái)自不那么遙遠(yuǎn)的地方，可能就在本超星系團(tuán)內(nèi)。
即使這樣，能夠產(chǎn)生如此高能的粒子，想必也得是超大質(zhì)量黑洞噴流或者是星系碰撞這種大事件吧。然而當(dāng)天文學(xué)家們向粒子的來(lái)源方向望去，他們卻沒(méi)有看到任何類(lèi)似的東西。
2021 年 5 月 27 日，一位日本天文學(xué)家在對(duì)猶他州那臺(tái)探測(cè)器進(jìn)行例行數(shù)據(jù)檢查時(shí)，一個(gè)異常的信號(hào)引起了他的注意。經(jīng)過(guò)兩年半的反復(fù)確認(rèn)，2023 年 11 月研究團(tuán)隊(duì)宣布，一個(gè)能量高達(dá) 240 EeV 的宇宙線(xiàn)粒子被探測(cè)到，同時(shí)他們以日本太陽(yáng)女神的名字將其命名為“天照粒子”。
然而當(dāng)人們滿(mǎn)懷希望再次望向粒子來(lái)源的方向時(shí)直接傻了眼，因?yàn)槟繕?biāo)方向竟然是個(gè)空洞！
這是一個(gè)跨度達(dá)到了 1.5 億光年，位于本星系群旁邊的一片空蕩區(qū)域，天文學(xué)家稱(chēng)其為“本地空洞（Local Void）”。雖然叫空洞，但是這里面也不是說(shuō)什么都沒(méi)有，只是這里的星系密度相對(duì)其他區(qū)域要低很多。不管怎樣，最終研究人員在這里以及附近所有可能的地方，都沒(méi)發(fā)現(xiàn)與之匹配的天體。
至此，人們提出了兩種可能：
1、要么是我們的模型不對(duì)，計(jì)算宇宙線(xiàn)受磁場(chǎng)影響時(shí)出了問(wèn)題，也就是找錯(cuò)了方向；
2、要么是存在超出標(biāo)準(zhǔn)模型的新物理，比如某種未知的粒子，它不會(huì)與微波背景發(fā)生作用，這樣它就有可能是從更遠(yuǎn)的地方過(guò)來(lái)的，而不在我們附近。
拋開(kāi)這兩種可能，我們還有其他方法來(lái)定位宇宙線(xiàn)來(lái)源嗎？有，就是探測(cè)次級(jí)粒子。
除了與地球大氣發(fā)生作用外，宇宙線(xiàn)中的初級(jí)粒子也會(huì)在來(lái)地球的路上與星際介質(zhì)發(fā)生作用，這個(gè)過(guò)程會(huì)產(chǎn)生依舊相對(duì)高能的伽馬光子、中微子等次級(jí)粒子。這些次級(jí)粒子由于不帶電，不會(huì)被星際磁場(chǎng)干擾，所以它們的來(lái)源方向相對(duì)明確。
在天照粒子發(fā)現(xiàn)的前一年（2020 年），中國(guó)高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站“拉索”（LHAASO）捕捉到了 12 顆超高能伽馬光子。其中能量最高的一顆達(dá)到了 1.4PeV，創(chuàng)下了當(dāng)時(shí)能量最高的伽馬光子記錄。這次發(fā)現(xiàn)的粒子不但能量高，更重要的是，它們的來(lái)源不在別處，就在我們銀河系內(nèi)！雖然先前發(fā)現(xiàn)的那些超高能粒子已經(jīng)算是比較“近”的了，但是相較于它們，這次的粒子簡(jiǎn)直就在家門(mén)口。很快研究人員便鎖定了本次宇宙線(xiàn)的來(lái)源目標(biāo) —— 天鵝座區(qū)域。之后在該區(qū)域拉索又陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多顆超高能的伽馬光子。
在獲得了足夠多的數(shù)據(jù)后，2024 年 2 月，研究團(tuán)隊(duì)再一次確定了這些宇宙線(xiàn)的具體來(lái)源 —— 天鵝座 OB2 星協(xié)！
在先前鎖定的天鵝座的恒星形成區(qū)（Cygnus X）中，研究人員發(fā)現(xiàn)了一個(gè)相當(dāng)于 1000 萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)系的巨大泡狀結(jié)構(gòu)，在這里他們找到了多個(gè)超高能光子，其中能量最高的一個(gè)達(dá)到了 2PeV。現(xiàn)有數(shù)據(jù)表明，這些光子應(yīng)該都來(lái)自于該泡泡的中心區(qū)域，而這里恰好坐落著一個(gè)由 O 型和 B 型大質(zhì)量恒星構(gòu)成的 OB 星協(xié)。至此，人們首次揭開(kāi)了超高能宇宙線(xiàn)起源的神秘面紗。
這些大個(gè)子恒星表面溫度非常高，同時(shí)有著超強(qiáng)的輻射，強(qiáng)度甚至可以達(dá)到太陽(yáng)的百萬(wàn)倍。巨大的輻射壓會(huì)把恒星的表面物質(zhì)吹散，形成強(qiáng)烈的恒星風(fēng)。此時(shí)恒星風(fēng)的粒子能量并不高，速度只有每秒幾千公里。但是這些恒星風(fēng)與周?chē)男请H介質(zhì)（包括恒星風(fēng)之間）會(huì)發(fā)生碰撞，這種劇烈的碰撞環(huán)境對(duì)恒星風(fēng)中的粒子來(lái)說(shuō)，就是一個(gè)宇宙級(jí)的粒子加速器。通過(guò)它們，粒子最終會(huì)被加速到接近光速，而其具有的能量也將達(dá)到人類(lèi)望塵莫及的高度。
論文 & 綜述：
[1] Péter Mészáros, Katsuaki Asano, Péter Veres. Gamma Ray Bursts: recent results and connections to very high energy Cosmic Rays and Neutrinos. arXiv preprint arXiv:1209.2436,2012.
[2] TELESCOPE ARRAY COLLABORATION. An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array[J]. Journal of Science, 2023, 382(6673):903-907.
[3] LHAASO Collaboration. An ultrahigh-energy γ-ray bubble powered by a super PeVatron[J]. Science Bulletin, 2024, 69(4):449-457
文章 & 新聞：
[1] QuantaMagazine: The Particle That Broke a Cosmic Speed Limit
[2] 中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所: 拉索發(fā)現(xiàn)巨型超高能伽馬射線(xiàn)泡認(rèn)證第一個(gè)超級(jí)宇宙線(xiàn)加速源
[3] wiki: Oh-My-God particle
[4] wiki: Amaterasu particle
[5] wiki: Cygnus X (star complex)
[6] wiki: Cygnus OB2
本文來(lái)自微信公眾號(hào)：Linvo 說(shuō)宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。