天體物理學家解釋宇宙射線的神秘行為

一組來自俄羅斯和中國的科學家開發了一種解釋銀河系中高能宇宙射線(CRs)的模型。這些CRs的能量超過了超新星爆炸產生的一個或兩個數量級。這個模型主要集中在最近發現的稱為費米氣泡的巨型結構上。

由高能質子和原子核組成的宇宙射線起源理論的一個關鍵問題是它們的加速機制。這個問題是由Vitaly Ginzburg和Sergei Syrovatsky在上世紀60年代提出的，當時他們建議在銀河系超新星爆炸時產生CRs。在1977年Germogen Krymsky等人提出了一種由SN激波引發的帶電粒子加速的具體機制。由於壽命有限，估計加速粒子的最大能量不能超過1014 - 1015 eV。

在1015 eV以上解釋粒子的性質是關鍵。2010年11月當費米伽馬射線太空望遠鏡探測到星系中心區域的伽瑪射線波段發射輻射的兩個巨大結構時，研究這些粒子加速過程的一個重大突破出現了。這些結構被拉長和對稱地位於與中心垂直的銀河平面上延伸了5萬光年，大約是銀河系直徑的一半。這些結構被稱為費米氣泡。後來普朗克望遠鏡小組在微波波段發現了它們的發射。

在銀河系的x射線和伽馬射線發射氣。圖片版權：NASA

費米氣泡的性質目前還不清楚，但這些物體的位置表明它們與銀河系中心的過去或現在的活動有關，在銀河系中心有106個太陽質量黑洞。現代模型將氣泡與星系中心的恆星形成和/或能量釋放聯繫起來，這是由於恆星的吸積作用在中心黑洞上引起的潮汐變化。類似的結構可以在其他有活動核的星系中探測到。

Dmitry Chernyshov(MIPT畢業生)，Vladimir Dogiel(MIPT員工)和他們來自香港和台灣的同事發表了一系列關於費米氣泡性質的論文。他們已經證明這些區域的x射線和伽馬射線是由於由恆星物質墜入黑洞引起的激波加速而導致相對論電子加速的過程。在這種情況下激波應該加速質子和原子核。然而相對於電子相對更大質量的相對論質子在星系暈中幾乎沒有任何能量，可以填滿整個星系。論文的作者認為巨大的費米氣泡衝擊鋒面可以重新加速SN對能量的釋放，極大地超過了1015 eV。

對宇宙射線重新加速的分析表明，費米氣泡可能是在觀測光譜的「膝」上方形成CR光譜的原因。在能量大於3×1015 eV(能量範圍在圖2)「B」，理智的看待這個問題，大型強子對撞機的加速粒子的能量也~ 1015 eV。

圖註：

宇宙射線的光譜圖發現地球上(水平軸代表能量eV,縱軸代表CR光度eV×m - 2×s - 1×sr-1)，點表示觀測數據;黑色實線是在模型中計算的光譜。圖片版權：Moscow Institute of Physics and Technology

該模型解釋了觀察到的CR流的譜分布。可以說我們描述的過程能夠加速超新星爆炸產生的銀河宇宙射線。與電子不同，質子具有更大的生命周期，因此當在費米氣泡中加速時，它們可以填滿整個星系的體積，並在地球附近觀察到。我們的模型表明，包含高能質子和原子核的能量低於1015 eV(低於觀測光譜的「膝蓋」能量範圍)的宇宙射線，是在星系盤的超新星爆炸中產生的。這樣的CRs在費米氣泡中重新加速，能量超過1015 eV(高於「膝蓋」)。最後的宇宙射線分布顯示在光譜圖上。

特性的研究人員提出一個解釋在CR頻譜能量範圍從3×1015 - 1018 eV(能量範圍在圖2)「B」。科學家們證明了粒子過程中產生的SN爆炸和能量低於3×1015 eV經驗在預示費米氣泡時從銀盤的光環。合理的參數模型描述粒子的加速費米氣泡可以解釋宇宙射線的光譜的本質上面3×1015 eV。這個範圍下面的光譜仍然沒有受到干擾。因此這個模型能夠產生與觀測到的宇宙射線相同的光譜分布。

來源：莫斯科物理與技術研究所

編譯：中子星

審校：博科園

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