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引起的粒子雨 [J. Yang/國家科學(xué)基金會]

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，問題是：我們并未了解清楚是什么過程可以將如此多的能量濃縮到單個粒子中。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（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。 盡管它們看起來像是多信使天文學(xué)工具箱中的一個很好的工具，但宇宙射線天文學(xué)并不是一項簡單的任務(wù)，因?yàn)檫@些粒子會被河外磁場影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)。

宇宙射線（紅色）由單個質(zhì)子和較重元素的原子核組成。它們在宇宙漫游的過程中被磁場偏轉(zhuǎn)，導(dǎo)致我們無法追溯它們的起源地。[冰立方中微子天文臺]

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）。

雖然我們無法探知它們的來源，但我們確實(shí)對它們的能量有所了解，并且每年各種宇宙射線實(shí)驗(yàn)都會檢測到數(shù)百萬個這樣的粒子。它們中許多比最大的地球粒子加速器大型強(qiáng)子對撞機(jī)中的粒子能量還要高出數(shù)千到數(shù)百萬倍。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。例如超新星遺跡這樣的物體會產(chǎn)生由超音速運(yùn)動的物質(zhì)組成沖擊波，這些沖擊波會將粒子加速到高能。當(dāng)沖擊波傳播時，粒子會在激波邊界上來回彈跳。隨著時間的推移，激波前沿的連續(xù)彈跳使得能量凈轉(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陙硪恢笔悄Ｐ偷闹饕獌?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)入噴流后短時間內(nèi)獲得巨大的能量。這里一個初始動量和能量為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。 [卡普里奧利等 2018]

考慮一個帶有噴流的物體，例如一個活躍的星系。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，同時以更高的能量被踢出。在許多情況下，粒子能量會以系數(shù)Γ2增加，其中Γ是洛倫茲因子（這反映了噴流的移動速度）。對于某些噴流，這意味著粒子離開時擁有的能量將是進(jìn)入噴流時的近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)往往會在某些區(qū)域聚集，而這些密度過高的區(qū)域（圖中的色標(biāo)）會導(dǎo)致噴流局部移動得更快或更慢。 [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起來不錯，但許多過去的計算都依賴于噴流的簡化處理，現(xiàn)實(shí)中它們是非常動態(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。這些作者對濃縮咖啡機(jī)制進(jìn)行了簡單處理，然后通過對超相對論噴流進(jìn)行完整的磁流體動力學(xué)（MHD）模擬來豐富它。其中考慮了噴流速度和噴流密度的小規(guī)模波動等因素，來更準(zhǔn)確地描述噴流的動力學(xué)。

通過模擬噴流的完整結(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)出來的不完美反而可以幫助粒子加速。更甚的是，噴流擾動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量結(jié)果一致，這是其他宇宙射線加速模型無法夸耀的成就。

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，表明粒子離開噴流時所攜帶的能量比進(jìn)入噴流時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，可以肯定地說宇宙射線科學(xué)的未來將非常振奮人心。

BY: Astrobites

FY: 仙女座的夢

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