高能宇宙射線的來源

在過去的一個世紀(jì)中，物理學(xué)家對宇宙射線一直感到迷惑不解：粒子（主要是質(zhì)子）高速穿越太空，它們好像均等地來自各個方向。這些星系間射流的來源是什么？它們又是怎樣獲得如此高的穿行速度的呢？一個跨國研究小組宣布，他們向解決這些問題邁出了一大步：令人信服的證據(jù)證明，至少部分宇宙射線來自超新星殘?。怀滦菤埡∈呛阈潜ㄋa(chǎn)生的正在膨脹的物質(zhì)外殼，起著天然粒子加速器的作用。

長期以來，宇宙射線都是一個難解之謎，因為射線間的相互作用掩蓋了射線的來源。作為帶電粒子，宇宙射線“感覺到”了太空磁場的推拉作用。結(jié)果，宇宙射線以長長的弧形軌跡穿越星系，這樣地球上的探測器才有可能跟蹤到射線的源頭。

這些粒子如此高的穿行速度表明，它們一定有著猛烈而高能的源泉。長期以來，研究人員一直認(rèn)為這些高能粒子的來源就是超新星殘骸，但是沒有辦法證明這一點?！拔覀冃枰粋€中性信使來觀測射線的來源?！奔永Ｄ醽喼菖谅灏柾惺兴固垢４髮W(xué)的斯蒂芬·芬克說。伽馬射線是作為加速質(zhì)子的副產(chǎn)品而產(chǎn)生的高能光子，可以充當(dāng)中性信使的角色，因為這種射線不帶電荷，因而是直線穿越太空的。但是，高速電子也會產(chǎn)生伽馬射線，此前研究人員無法區(qū)分來自超新星殘骸的伽馬射線是電子產(chǎn)生的還是質(zhì)子產(chǎn)生的。

1949年，意大利裔美國物理學(xué)家恩里科·費(fèi)米率先提出了一種超新星殘骸可能使質(zhì)子加速的途徑。其加速機(jī)制大致是這樣的：超新星殘骸是正在膨脹的球形物質(zhì)外殼，外殼向外推進(jìn)變成彌漫于恒星之間的氣體——星際介質(zhì)；這樣便在物質(zhì)外殼的前部形成激波，而這個激波陣面攜帶復(fù)雜的磁場，前面和后面均有磁場；在壓縮的氣體中，像質(zhì)子那樣的帶電粒子可以在兩個磁場之間來回彈跳，而且不斷穿越陣面，每次穿越都會使能量突增；最終，帶電粒子將因得到足夠高的能量而逃脫磁場，作為宇宙射線射向太空。

當(dāng)高速質(zhì)子與星際介質(zhì)中低速的同類粒子碰撞之后，將發(fā)生相互作用，通常會產(chǎn)生大量的基本粒子，這些基本粒子被稱為中性介子。介子衰變后幾乎立刻變成兩柬伽馬射線，這些伽馬射線就是中性信使，能夠證明有高能質(zhì)子出現(xiàn)。由超新星殘骸加速后的電子也會產(chǎn)生伽馬射線，但這兩種伽馬射線在能譜上稍有不同。由于源于質(zhì)子的伽馬射線實際上來自介子，所以每束伽馬射線必定至少擁有一個介子1/2的能量，較低能量的伽馬射線在能譜上無法顯示。相對而言，源于電子的伽馬射線顯示不出高低能量的分界點。

來自深太空的伽馬射線很難被探測到，因為它們在到達(dá)地面之前就被地球的大氣阻擋在外?，F(xiàn)在，美國航空航天局的費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡可以探測能量分界點了。自從2008年發(fā)射升空后不久，芬克的研究小組就開始利用這架望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行研究。芬克說：“這臺儀器并不完美，但是我們能夠在能量合適時看到分界點。我們已經(jīng)明確地證實，超新星殘骸可以為宇宙射線加速?！?/p>

該研究小組證明，超新星殘骸是宇宙射線的一個來源。然而，這是主要來源嗎？芬克表示：要想解決這個問題，就需要積累更多的資料，研究更多的天體，至少現(xiàn)在研究人員有了所需要的工具。芬克說：“很久以前，我們對此就有了理論上的認(rèn)識，現(xiàn)在我們只是擁有了先進(jìn)技術(shù)，利用先進(jìn)技術(shù)來證實以前的認(rèn)識……從這個意義上講，這個研究成果很美妙！”