宇宙射線“冰瑪奇朵”

(資料圖片僅供參考)

藝術(shù)家印象：宇宙射線（由遙遠(yuǎn)的天體物理源產(chǎn)生的帶電粒子）撞擊地球高層大氣時(shí)引起的粒子雨 [J. Yang/國(guó)家科學(xué)基金會(huì)]

我們的宇宙散布著許多能量驚人的粒子，我們將其稱之為宇宙射線。這些粒子中最極端的，比如30年前檢測(cè)到的，我的天（Oh-My-God）粒子，所攜帶的能量與職業(yè)網(wǎng)球發(fā)球的能量近乎相同。但，問(wèn)題是：我們并未了解清楚是什么過(guò)程可以將如此多的能量濃縮到單個(gè)粒子中。今天這篇文章的作者討論了這些粒子如何獲取它們的能量，正如您早上去唐恩都樂(lè)（Dunkin"?）獲取你的能量一樣。

宇宙射線一覽

宇宙射線是在天體物理環(huán)境中（例如超新星遺跡或活躍的星系核）被加速到高能的原子核。 盡管它們看起來(lái)像是多信使天文學(xué)工具箱中的一個(gè)很好的工具，但宇宙射線天文學(xué)并不是一項(xiàng)簡(jiǎn)單的任務(wù)，因?yàn)檫@些粒子會(huì)被河外磁場(chǎng)影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

宇宙射線（紅色）由單個(gè)質(zhì)子和較重元素的原子核組成。它們?cè)谟钪媛蔚倪^(guò)程中被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致我們無(wú)法追溯它們的起源地。[冰立方中微子天文臺(tái)]

盡管我們花費(fèi)了很多精力去探究宇宙射線，尤其是那些最高能量的宇宙射線的起源，目前我們?nèi)詿o(wú)所獲（查看這些先前研究的摘要：銀河宇宙射線，宇宙射線各向異性）。

雖然我們無(wú)法探知它們的來(lái)源，但我們確實(shí)對(duì)它們的能量有所了解，并且每年各種宇宙射線實(shí)驗(yàn)都會(huì)檢測(cè)到數(shù)百萬(wàn)個(gè)這樣的粒子。它們中許多比最大的地球粒子加速器大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)中的粒子能量還要高出數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)倍。只是我們還是不知道最高能量的宇宙射線是如何獲得能量的。

許多宇宙射線加速理論都傾向于圍繞費(fèi)米加速的想法展開(kāi)。例如超新星遺跡這樣的物體會(huì)產(chǎn)生由超音速運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)組成沖擊波，這些沖擊波會(huì)將粒子加速到高能。當(dāng)沖擊波傳播時(shí)，粒子會(huì)在激波邊界上來(lái)回彈跳。隨著時(shí)間的推移，激波前沿的連續(xù)彈跳使得能量?jī)艮D(zhuǎn)移到粒子。

雖然費(fèi)米加速很好地解釋了中等能量的宇宙射線，并且?guī)资陙?lái)一直是模型的主要內(nèi)容，但它仍有一些缺陷，許多人認(rèn)為它不能完全解釋最高能量宇宙射線加速的問(wèn)題。

一杯宇宙咖啡

今天這篇論文的作者提出了一種看待宇宙射線加速的新方法：濃縮咖啡機(jī)制。為什么是濃縮咖啡？因?yàn)榱Ｗ硬皇请S著時(shí)間的推移逐漸獲得能量，而是一次濃縮獲得能量。

在“濃縮咖啡機(jī)制”中，粒子在進(jìn)入噴流后短時(shí)間內(nèi)獲得巨大的能量。這里一個(gè)初始動(dòng)量和能量為pi、Ei的粒子進(jìn)入具有特征洛倫茲因子Γ的噴流，并以大致等于Γ2Ei的能量離開(kāi)。 [卡普里奧利等 2018]

考慮一個(gè)帶有噴流的物體，例如一個(gè)活躍的星系。如果一束低能量的宇宙射線進(jìn)入噴流，那么它可能在噴流中被擊落，同時(shí)以更高的能量被踢出。在許多情況下，粒子能量會(huì)以系數(shù)Γ2增加，其中Γ是洛倫茲因子（這反映了噴流的移動(dòng)速度）。對(duì)于某些噴流，這意味著粒子離開(kāi)時(shí)擁有的能量將是進(jìn)入噴流時(shí)的近1000倍。

濃縮磁流體力學(xué)（MHD）噴流

在真實(shí)建模的噴流中，物質(zhì)往往會(huì)在某些區(qū)域聚集，而這些密度過(guò)高的區(qū)域（圖中的色標(biāo)）會(huì)導(dǎo)致噴流局部移動(dòng)得更快或更慢。 [姆巴雷克與卡普里奧利 2019]

雖然這種濃縮咖啡方案原則上聽(tīng)起來(lái)不錯(cuò)，但許多過(guò)去的計(jì)算都依賴于噴流的簡(jiǎn)化處理，現(xiàn)實(shí)中它們是非常動(dòng)態(tài)和復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。

這就是今天論文的作者發(fā)揮作用的地方。這些作者對(duì)濃縮咖啡機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)單處理，然后通過(guò)對(duì)超相對(duì)論噴流進(jìn)行完整的磁流體動(dòng)力學(xué)（MHD）模擬來(lái)豐富它。其中考慮了噴流速度和噴流密度的小規(guī)模波動(dòng)等因素，來(lái)更準(zhǔn)確地描述噴流的動(dòng)力學(xué)。

通過(guò)模擬噴流的完整結(jié)構(gòu)，作者發(fā)現(xiàn)復(fù)雜的環(huán)境不會(huì)削弱濃縮咖啡加速的假設(shè)。事實(shí)上，現(xiàn)實(shí)噴流表現(xiàn)出來(lái)的不完美反而可以幫助粒子加速。更甚的是，噴流擾動(dòng)讓粒子獲得兩倍甚至三倍的能量。

在整篇論文中，作者描述了濃縮咖啡加速宇宙射線的出射光譜。在這樣做的過(guò)程中，他們發(fā)現(xiàn)濃縮咖啡加速在能量、化學(xué)成分和空間分布方面與當(dāng)前超高能宇宙射線的測(cè)量結(jié)果一致，這是其他宇宙射線加速模型無(wú)法夸耀的成就。

樣本粒子軌跡（黑色曲線）在噴流切片的頂部疊加，噴流速度由頂部圖表中的顏色表示。底部圖表顯示了沿粒子路徑獲得的能量，表明粒子離開(kāi)噴流時(shí)所攜帶的能量比進(jìn)入噴流時(shí)所攜帶的能量多得多。 [姆巴雷克與卡普里奧利 2019]

鑒于所有這些，可以肯定地說(shuō)宇宙射線科學(xué)的未來(lái)將非常振奮人心。

BY: Astrobites

FY: 仙女座的夢(mèng)

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