能量超乎想象的宇宙线，会是超重原子核吗？

能量超乎想象的宇宙信使

宇宙线是来自外太空的亚原子粒子，比如质子（也就是氢的原子核）等，以接近光速的速度在空间中传播。

在讨论宇宙线的能量时，我们用到的最基本单位是电子伏特 （eV）。宇宙线的能量范围很广，最常见的是能量最低的那些，比如来自太阳的宇宙线。当宇宙线的能量超过1艾电子伏特（EeV：1 EeV =10¹⁸eV）时，就可以被称为 特高能宇宙线 。这一能量比人造粒子加速器所能达到的最高能量还要高出100万倍。

2021年，美国犹他州的望远镜阵列探测到了有记录以来最极端的事件之一——一个能量高达244 EeV的粒子，后来被取名为“天照粒子”（Amaterasu particle）。这样的能量水平，可与迄今观测到的最高能宇宙线——“Oh-My-God粒子”——相媲美，Oh-My-God粒子于1991年被探测，据估计其能量约为320 EeV。

自从首例特高能宇宙线被报道以来，它们的起源和加速机制在50多年里一直是一个悬而未解的谜题。

如今，一项新发表于《物理评论快报》上的研究，为迄今观测到的这些最高能粒子的起源之谜，提供了一种“超重”的解释：这些特高能宇宙线可能是由比铁更重的原子核构成。

是超重原子核？

要理解特高能宇宙线的能量尺度，我们可以做一个类比：天照粒子的能量大致相当于一个高速运动的网球所具有的动能。如此高能的宇宙线，通常被认为只能源自于宇宙中的一些极端的天体物理源，例如两颗中子星发生碰撞，或者一颗大质量恒星发生坍缩。当观测到这样的宇宙线事件时，研究人员可以根据它们的能量分布、到达方向、预期的磁场偏转，以及通过统计方法获得的组成，来推断这些粒子的来源以及它们如何被加速的。

然而，当天文学家这样做时，发现天照粒子的来向指向太空中的一个宇宙巨洞——那里并没有明显的特高能宇宙线源。

在新的研究中，为了理解哪些类型的粒子能够以如此极端的能量抵达地球，研究团队进行了详细的计算模拟，分析了不同大小的粒子在穿越星系际空间时，其能量会如何变化。

原子核是原子中心极其微小的核心，由质子和中子构成。它们几乎包含了原子的全部质量，却只占据原子体积极小的一部分。研究团队通过计算发现，超重原子核在穿越星系际空间时，能量损失的速度可能比质子或较轻原子核更慢。在与天照粒子相当的能量下，超重原子核的能量损失低于质子或中等质量原子核，因此它们更有可能跨越宇宙尺度的距离，并以极高能量抵达地球。

最有可能产生并加速这类超重原子核的场所，是大质量恒星死亡时发生的剧烈坍缩过程，例如坍缩形成黑洞或强磁化中子星；此外，还包括双中子星并合——这已知是强大的引力波来源。

新的约束

这样的计算结果对超重原子核在已观测的特高能宇宙线总体中所占的贡献提出了新的约束，有助于缩小能够将这些粒子加速到如此高能量的宇宙源范围。

研究人员表示，如大质量恒星死亡以及双中子星并合等剧烈的宇宙现象还可以驱动伽马射线暴。而分析这些事件，还可能有助于解释特高能宇宙线能谱中的南北天空之间可能存在的差异。如果超重原子核在最高能段有显著贡献，那么未来数据应当显示，其成分比铁还重。

但研究人员强调，这并不是说所有特高能宇宙线都是超重原子核，而是表明，如果某些最高能事件确实来自超重原子核，那么这将影响我们寻找其来源的方式。

研究人员指出，下一代观测设施有望检验这些信号。此外，对涉及黑洞和强磁化中子星的宇宙爆发现象开展进一步理论研究，可能有助于厘清超高能宇宙线的起源。

#参考来源：

https://www.psu.edu/news/eberly-college-science/story/ultrahigh-energy-cosmic-messengers-may-carry-ultraheavy-secrets

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/221m-gvs3

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abo5095

https://www.eurekalert.org/news-releases/1008434

#图片来源：

封面图&首图：B. T. Zhang and K. Murase, using Google Slides and its AI-assisted features