宇宙射线从何而来？

一幅插图显示了撞击地球的宇宙事件在太空中发射的宇宙射线。（图片来源:uux.cn/Robert Lea（与Canva共同创作）/美国国家航空航天局地球图像公司）
（神秘的射线地球uux.cn）据美国太空网（罗伯特·李）：地球不断受到宇宙射线的轰击，这些高能粒子以接近光速从四面八方向我们的从何星球喷射。
虽然这听起来像科幻小说中外星人入侵的宇宙前兆，但这是射线一个世纪以来科学家们已经意识到的真实现象。根据英国伯明翰大学的从何说法，尽管宇宙射线有着戏剧性的宇宙描述，但它们实际上非常普通——它们非常有规律地穿过我们的射线星球，以至于在一个普通的从何夜晚睡眠中，一个人将有大约100万条宇宙射线穿过他们的宇宙身体
尽管宇宙射线无处不在，但它仍然是射线科学之谜。众所周知，从何撞击地球的宇宙慢能量宇宙射线来自太阳，而其他更高能量的射线宇宙射线则从深空流入太阳系。这些太阳系外宇宙射线的从何来源鲜为人知，其可疑来源包括黑洞和标志着大质量恒星死亡的超新星爆炸。
宇宙射线在地球上被探测到已经超过100年了。然而，它们的起源在很大程度上仍不为人所知，”德国鲁尔大学物理学和天文学教授朱莉娅·朱斯通过电子邮件告诉Space.com。“这些微小粒子达到的能量远远超过我们在地球上所能达到的能量。我们正试图解开一个至今已有100多年历史的谜题，并缓慢但稳步地将各个部分拼凑起来。”
什么是宇宙射线？
宇宙射线是以接近光速撞击地球大气层的高能粒子流。它们是在20世纪被发现的，物理学家罗伯特·密立根在1925年创造了“宇宙射线”这个术语。
从那以后，科学家们确定每天有数万亿宇宙射线撞击地球，但绝大多数都被地球的磁层和大气层阻挡了。
根据芝加哥大学的数据，超过90%的宇宙射线是氢原子核（单质子），9%是氦原子核，1%是重元素直至铁的原子核。这些被称为“强子粒子”，因为它们是由强子组成的，就像质子和中子一样，它们是由称为夸克的基本粒子组成的。
“也有电子和正电子（电子的反粒子）在宇宙射线中向我们飞来，但数量比强子粒子少。Tjus说:“这些通常被称为宇宙射线电子。”“有时，人们也将中性高能粒子——光子和中微子——包括在宇宙射线这个术语中，但在大多数定义中，这些粒子是分开存放的。”
宇宙射线是如何变得如此高能的？

宇宙射线不断降落在地球上，但没有人知道它们到底来自哪里。（图片来源:uux.cn/DrPixel via Getty Images）
宇宙射线之谜的关键是这些粒子如何能够达到如此不可思议的能量，导致它们加速到接近光速。
“我们非常了解宇宙射线的能量——宇宙以某种方式将粒子加速到10⁰（1后面跟着20个零）电子伏特，”Tjus说。“相比之下，地球上的加速器，如欧洲粒子物理研究所的大型强子对撞机（LHC），只能将粒子加速到10 eV，比宇宙所能达到的速度低很多个数量级。如何将粒子加速到这些极端能量的机制尚不清楚。”
一种说法是，当一种物质以令人难以置信的高速度撞击一种移动较慢的介质时，会产生冲击波阵面，从而使后者发生突然变化，由此可以将粒子加速到如此高的能量。这将产生一个湍流磁场，可以作为一个天然的强大的宇宙粒子加速器。
产生这种情况的一种可能方式是超新星爆发，即大质量恒星死亡时发生的爆炸。这种爆炸将使恒星的外层以令人难以置信的速度飞驰，直到这种恒星物质最终撞击星际介质——恒星之间缓慢移动的气体云——产生发光的超新星遗迹。
“超新星遗迹是来自银河系内部的宇宙射线的合理候选者。Tjus说:“有证据表明超新星遗迹可以将粒子加速到大约GeV能量【大约10⁹到10 eV】。”“在最高能量下，大约10 ⁰电子伏，我们知道这些粒子一定来自其他星系。“
她说，这些高能宇宙射线的一个合理来源是活动星系核（AGN），活动星系的中心由质量为太阳质量数百万或数十亿倍的超大质量黑洞提供能量。
AGN超大质量黑洞被它们逐渐吞噬的物质所包围，它们还通过巨大的引力影响搅动这些物质，使它们发出的光比周围星系中每颗恒星的总和还要亮。这些区域中没有被输送到中心超大质量黑洞的物质可以被引导到黑洞的两极，在那里以接近光速的物质射流喷出。当这些喷流撞击周围的星际物质时，这种碰撞也可能产生宇宙射线。
Tjus说，宇宙射线的另一个可能来源可能是所谓的恒星暴增星系，即那些正在经历异常高的恒星形成率的星系，它们拥有伽马射线暴。
但是如果宇宙射线来自宇宙中一些最猛烈和最引人注目的事件，为什么天文学家要努力追踪这些带电粒子回到这些来源呢？
宇宙弹球机
难以找到宇宙射线来源的一个原因是它们是由受磁场影响的带电粒子组成的。当这些粒子在穿越太空到达我们这里的漫长旅程中遇到磁场时，它们就会发生偏转。
因此，当河外宇宙射线在穿越数百万或数十亿光年后到达地球时，它们已经被偏转和重定向了许多次，就像天体弹球机中的球一样在宇宙中反弹。这使得重建它们的原始路径几乎是不可能的，但可能有一种间接的方法来做到这一点。
“当宇宙射线与气体相互作用时，这些相互作用会导致光子和中微子的产生。这些是直线传播的中性粒子，因此可以间接揭示宇宙射线的起源，”Tjus解释说。
目前，宇宙射线被研究的能量范围很广，从10⁹ eV到10 ⁰ eV，科学家们研究了从宇宙射线的成分到它们在天空中的有利方向的所有东西。Tjus认为，结合3D建模和对与宇宙射线相关的中微子和光子的精确测量，可以在理解宇宙射线来自哪里以及它们如何以如此惊人的能量发射方面取得进展。
Tjus说:“宇宙射线之谜只能通过将观察到的不同信使的不同信息整合在一起来解开。”“到今天为止，有各种各样的天文台提供不同的信息。“