極高能宇宙線揭示長期隱藏在宇宙中的高能奇觀

本文翻譯自quantamagazine網站的文章Cosmic Map of Ultrahigh-Energy Particles Points to Long-Hidden Treasures

作者| Natalie Wolchover

譯者| ParadoX

極高能宇宙線會在傳播到地球的旅途中因為星際磁場而發生運動軌跡的偏轉,使我們無法分辨產生它們的高能天體。

1939年,一位法國物理學家 皮埃爾・俄歇(Pierre Auger)在沿着阿爾卑斯山的一條山脊上放置了一些蓋格計數器。他發現即使是蓋格計數器之間相距

,有時也能夠同時自發地發出”咔噠”聲。蓋格計數器發出的”咔噠”聲是由於接收到了宇宙線――這些來自宇宙空間的帶電粒子擊中了大氣分子,引發了粒子簇射的”陣雨”並最終灑向了地面並被蓋格計數器接收到。俄歇很快意識到:如果宇宙線要引發如此巨大的粒子簇射陣雨,那麼它必須有極其高的能量。他在論文《廣延宇宙線簇射》(Extensive Cosmic-Ray Showers)中寫道:”很難想象有一個單一的過程可以讓宇宙線加速到如此之高的能量。”

在建造出更大的由蓋革計數器和其他類型的探測器陣列后,物理學家發現宇宙線所達到的能量至少比俄歇之前所預想的要高

倍。

宇宙線就是原子核――成分是質子或者是質子和中子結合成的粒子團簇。此外,稀有的”極高能”(Ultrahigh-energy)宇宙線所攜帶的能量可以與職業網球選手擊出的高速球能量相當。換句話說,這些極高能宇宙線比那些在歐洲大型強子對撞機(Large Hadron Collider, LHC)的

長的圓形隧道中以光速

繞轉的質子的能量還要高出數百萬倍!事實上人類檢測到的最為高能的宇宙線事例被稱為”OMG粒子”(Oh-My-God particle),推算出來該宇宙線是以光速的

轟擊大氣中的分子。OMG粒子能量為

,這些能量大致相當於保齡球從人的肩膀高度下落到地面釋放出來的重力勢能。

德國卡爾斯魯厄理工學院(the Karlsruhe Institute of Technology)天體物理學家,同時也是阿根廷的皮埃爾・俄歇宇宙線天文台(Pierre Auger Observatory)共同負責人的拉爾夫・恩格爾(Ralph Engel)說:”我們人類必須建造與水星公轉軌道一樣大的對撞機,才能將質子加速到與OMG粒子相當的能量上去。”

但問題來了:宇宙中是什麼加速機制讓粒子可以具有如此之高的能量呢?

在俄歇發現廣延大氣簇射82年後的今天,天體物理學家認為超新星爆發(Supernova explosions)是產生這些極高能宇宙線的天體起源。超新星的加速能力並不足以產生這些極高能宇宙射。儘管這些極高能宇宙線的起源仍不確定,但最近的一系列研究進展大大縮小了候選高能天體源的搜索範圍。

極高能宇宙線揭示長期隱藏在宇宙中的高能奇觀

圖1.從左至右分別是星暴星系,活動星系核和潮汐瓦解事件的藝術圖,它們已經成為極高能宇宙線主要來源的最佳候選者.(圖片來源: Quantamagazine)

皮埃爾・俄歇天文台擁有1600個粒子探測器和27台望遠鏡,點綴在一塊面積與羅德島大小相當的阿根廷大草原上。在過去的13年中,它記錄了數十萬條極高能宇宙線的陣雨。2017年,皮埃爾・俄歇天文台在《科學》(Science)上宣布了一項重大發現――能量高於

的宇宙線在到達方向上呈現出大尺度的各向異性,置信水平高達5.2

極高能宇宙線揭示長期隱藏在宇宙中的高能奇觀

圖2.阿根廷的Pierre Auger天文台由1600個如圖所示的探測器組成.當宇宙線轟擊大氣時,產生的次級帶電粒子陣雨會灑向地面探測器陣列.這些粒子穿過探測器內部的水時會產生閃爍的切倫科夫光.通過分析這些光信號,我們有機會了解到原初入射宇宙線的能量和方向.(圖片來源: Nicolás Leal / Pierre Auger Collaboration)

最近,三位供職於紐約大學(New York University)的天體物理學家對極高能宇宙線大尺度各向異性行為提出了一種優雅的解釋。丁晨(音譯:Chen Ding),諾米・格洛布斯(Noemie Globus)和格蘭尼斯・法拉(Glennys Farrar)在《極高能宇宙線在大尺度結構上的印記》(The Imprint of Large Scale Structure on the Ultra-High-Energy Cosmic Ray Sky)一文中指出,極高能宇宙線的加速天體源並非稀有,而是可能廣泛存在於宇宙中。

俄歇天文台和位於猶他州的望遠鏡陣列(Telescope Array)都發現了天空中微妙地分佈着較小的流量偏高的極高能宇宙線”熱點”。宇宙線”熱點”的附近大概就是加速這些宇宙線的天體源的位置,某些候選天體源正好坐落在宇宙線”熱點”上。

因為極高能宇宙線在傳播過程中與星際介質碰撞會產生中微子,所以有些極高能中微子同樣提供了極高能宇宙線源的線索。總的來說,最近的研究將會集中在三種主要候選源中尋找宇宙中超級強大的粒子加速器。而現在理論學家正忙於對這些天體進行建模,以檢驗它們是否確實能夠產生足夠高能的粒子。如果可以的話,就接着去分析它們是如何加速的。

這些極高能宇宙線起源的推測是全新的,不受任何以往數據的限制和約束。”如果你在更高的能標上審視宇宙,那麼那些更高能標上的物理是我們之前從未探索過的,”恩格頓了頓,”我們馬上就要邁入一片空白的研究領域裏了。”

細微的各向異性

要了解極高能宇宙線是由什麼天體加速的,第一步是搞清楚這些宇宙線的來源。麻煩的是由於宇宙線帶電,因此在星際磁場中穿行時,運動軌跡並非直指地球,所以地球上的我們無法確定宇宙線的來源。

此外極高能宇宙線非常罕見,平均下來地球每平方公里一年只能接收到一個。要確定極高能宇宙線到達方向上的分佈情況,都需要從龐大的數據集中消除微妙的統計漲落。

沒有人知道在極高能宇宙線在到達方向上表現出分佈行為之前需要多少數據。物理學家花了數十年的時間建立了越來越多的探測器陣列卻沒有看出任何跡象。終於在1990年代初期,蘇格蘭的天體物理學家艾倫・沃森(Alan Watson)和美國物理學家吉姆・克羅寧(Jim Cronin)決定將宇宙線探測器陣列擴大到一個史無前例的規模――於是他們着手策劃建造了佔地

的俄歇天文台。

最後,這麼大的探測器陣列就足夠了。當俄歇天文台的研究團隊在2017年的《科學》中報告說,他們檢測到南天北天之間存在

細微各向異性時,其中來自天空中某個特定方向宇宙線粒子數多於平均值,而相反反向的天空中接收到的宇宙線粒子數少於平均值。沃森激動地說道,”自從1960年代以來,我在這個領域工作了很長時間,但我們第一次發現了極高能宇宙線方向呈現出各向異性。”

極高能宇宙線揭示長期隱藏在宇宙中的高能奇觀

圖3.極高能宇宙線分佈呈現出6%的各向異性,這意味着產生極高能宇宙線的天體源可能廣泛分佈於宇宙.(上圖)理論上如果臨近的星系可以產生極高能宇宙線時的分布圖,(下圖)俄歇天文台觀測到的極高能宇宙線分佈.空白區域為俄歇天文台看不見的北天區.(圖片來源: The Imprint of Large Scale Structure on the Ultra-High-Energy Cosmic Ray Sky arxiv.org/pdf/2101.04564)

但是俄歇天文台的觀測數據也有令人困惑的地方。宇宙線過量的方向並不指向銀河系中心附近的位置――這支持了長期以來極高能宇宙線來自銀河系之外的假設。但從極高能宇宙線到達方向看去並沒有發現高能天體:既不是某些蘊藏巨大能量的天體(比如鄰近星系中的超大質量黑洞),也不是位於銀河系附近的處女座星團(Virgo cluster),而是大犬座(Canis Major)附近的一個暗淡的黑點。

時任耶路撒冷希伯來大學(Hebrew University of Jerusalem)的博士后的諾梅・格洛布斯立即發現了一種解釋這種模式的方法。她首先做了一個簡單假設:宇宙中的每一物質都有相同的概率產生少量極高能宇宙線。然後,她繪製出了宇宙線從附近的星系,星系團和星團(統稱為宇宙的大尺度結構)發出的宇宙線在微弱的星際磁場中將如何輕微彎曲的情況。自然地,她假設的地圖只是大尺度結構本身經過的簡單模糊處理,其中最高的宇宙線通量指向了處女座。

雖然格洛布斯的宇宙線超出”熱點”沒有與俄歇天文台的觀測數據吻合,但她樂觀地將原因歸結為沒有充分考慮銀河系的磁場。2019年,格洛伯斯搬到紐約大學,與天體物理學家格倫尼斯・法拉合作,他與當時的研究生羅尼・詹森(Ronnie Jansson)合作開發了2012年銀河系磁場模型。儘管還沒有人知道為什麼銀河系的磁場會如此分佈,但法拉和詹森還是從40,000次偏振光測量中推算出了銀河系磁場的幾何分佈。他們確定了磁場線沿着銀河系的旋臂順時針和逆時針成弧形環繞,並從垂直於銀盤面呈發散狀,並隨着銀緯升高而扭曲。

法拉的研究生丁晨編寫了代碼,細化了格洛布斯從大型結構發出的極高能宇宙線圖,然後輸入通過由法拉和詹森建模的銀河磁場模型中,得到了地球上極高能宇宙線的理論分布圖。法拉說:”瞧,我們的計算結果與觀察結果達成了非同尋常的一致。”

起源於處女座的宇宙線在銀河系的扭曲場線中彎曲,以至於在地球上俄歇天文台觀測到極高能宇宙線流量超出的中心位置是大犬座的方向。研究人員分析了不同能量的宇宙線所產生到達方向分佈將如何變化,發現在仔細考慮星際磁場和銀河系磁場后理論上宇宙線到達方向始終與俄歇天文台的數據的不同子集緊密匹配。

即使宇宙中的物質不一定都會產生極高能宇宙線,研究人員對極高能宇宙線起源的”連續模型”(Continuous Model)是一種行之有效的簡化模型。連續模型驚人的成功說明了:實際上宇宙線的來源是非常豐富的,在所有物質中均勻分佈,從而可以追溯到大尺度結構。之前提到的《極高能宇宙線在大尺度結構上的印記》獲得了廣泛的讚譽,而且這項研究將要發表在《天體物理學雜誌快報》(Astrophysical Journal Letters)上。沃森評價道:”這確實是一個了不起的進步。”

目前存在三種產生極高能宇宙線的候選天體源,它們在宇宙中相對常見,但產生OMG粒子的可能性卻很高。

伊卡洛斯之星

在2008年,法拉和他的合著者在《巨型活動星系核耀斑和宇宙宇宙線爆發》(Giant AGN Flares and Cosmic Ray Bursts)一文中提出,災難性的潮汐瓦解事件(Tidal Disruption Events, TDE)可能是極高能宇宙線的來源。

當恆星離超大質量黑洞太近時,就會發生潮汐瓦解事件。在潮汐力作用下,恆星靠近黑洞和遠離黑洞的兩端受到的引力差非常大,以至於該恆星就像神話中的伊卡洛斯那樣被撕裂成碎片並吸入黑洞的深淵。整個吸積過程將持續約一年。當它持續存在時,兩股由破裂恆星的亞原子碎片組成的噴流將從黑洞中沿兩個相反的方向射出。然後在這些噴流中的激波和磁場共同作用下將原子核加速至極高能量,然後再將其彈射進入太空中。

潮汐瓦解事件在每個星系中大約每100,000年發生一次,這在宇宙學上等同於無時無刻不在發生的事件。星系就反映了宇宙中物質分佈,因此潮汐瓦解事件可以證實”連續模型”的成功。

極高能宇宙線揭示長期隱藏在宇宙中的高能奇觀

圖4.格蘭尼斯・法拉(Glennys Farrar)作為一個在紐約大學工作的天文學家,致力於通過銀河系磁場了解極高能宇宙線行為.(圖片來源: Courtesy of Glennys Farrar)

此外,潮汐瓦解事件具有相對短暫時標的特點解決了其他難題。當潮汐瓦解事件產生的宇宙線到達我們時,潮汐瓦解事件可能已經過去了數千年。來自同一潮汐瓦解事件產生的其他宇宙線在星際磁場的作用下可能會走分叉的彎曲路徑,有些可能幾個世紀后才能到達。潮汐瓦解事件的瞬態性質可以解釋為什麼宇宙線的到達方向的各向異性微乎其微,而且與已知天體的位置卻沒有強相關性。法拉談到宇宙線的起源時說道:”我現在傾向於相信極高能宇宙線的產生主要是瞬態的過程。”

根據2月份《自然・天文學》(Nature Astronomy)報道的《與高能中微子相關聯的潮汐瓦解事件》(A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino),TDE假設最近得到了進一步的推動。

該論文的作者之一羅伯特・斯坦(Robert Stein)於2019年10月在加利福尼亞操作一台名為暫現源巡天的望遠鏡(Zwicky Transient Factory)時,碰巧已到了南極州IceCube中微子觀測站發出極高能中微子的警報。當甚至更高能量的宇宙線在產生它們的環境中與光或物質發生散射時,就會產生高能中微子。幸運的是中微子是電中性的,它將直線運動,因此它們直接指向宇宙線的源頭。

斯坦用望遠鏡朝着IceCube探測到的中微子的到達方向進行了觀測。他說:”我們立即看到中微子到達的位置發生了潮汐瓦解事件。”這種巧合很有可能說明潮汐瓦解事件至少是極高能宇宙線的一種來源。但是,這次中微子的能量可能太低,無法證明潮汐瓦解事件可以產生最高能量的宇宙線。一些研究人員強烈質疑這些瞬變源是否能將原子核加速到所觀察到的宇宙線能譜的最末端。理論物理學家仍在探索這些事件首先如何加速粒子。與此同時,其他事實也引起了一些研究人員的關注。

星暴超級星風

俄歇天文台和位於猶他州的望遠鏡陣列等宇宙線觀測站也發現了一流量偏高的極高能宇宙線”熱點”。2018年,俄歇發表了《通過與銀河系外伽馬射線源的通量圖比較,證明超高能宇宙射線到達方向的各向異性》(Indication of anisotropy in arrival directions of ultra-high-energy cosmic rays through comparison to the flux pattern of extragalactic gamma-ray sources)論文。在宇宙線傳播過程中,離我們更遠的宇宙線會因為傳播而損失更多的能量,論文將幾億光年內的天體與極高能宇宙線”熱點”進行了位置上的符合比較。

在相關性分析中,沒有一種類型的天體脫穎而出。這也可以理解,因為宇宙線會在磁場的作用下發生偏轉。但是大約

的宇宙線來自的地方均落在所謂的”星暴星系”方以內這一強相關性的結果還是震驚了不少人。”星暴星系它們最初不在我的考慮範圍內內”俄歇天文台團隊成員並供職於卡爾斯魯厄理工學院的邁克爾・昂格(Michael Unger)說。

在相關性分析中,沒有一種類型的天體脫穎而出。這也可以理解,因為宇宙線會在磁場的作用下發生偏轉。但是大約

的宇宙線的方向落在了所謂的”星暴星系”周圍

以內的天空里這一強相關性的結果還是震驚了不少人。”星暴星系它們最初不在我的考慮範圍內。”俄歇天文台團隊成員並供職於卡爾斯魯厄理工學院的邁克爾・昂格(Michael Unger)評價道。

極高能宇宙線揭示長期隱藏在宇宙中的高能奇觀

圖5.宇宙線是如何加速的.目前認為最有效的方式是費米激波加速機制,超新星爆發產生激波會讓周圍等離子體形成的磁場出現湍流,粒子在激波面中反覆被反射加速,直到無法被磁場束縛逃逸出去.

紐約城市大學雷曼學院的天體物理學家路易斯・安科多基(Luis Anchordoqui)最為激動,他在1999年的《宇宙射線能譜的末端有重核嗎?》(Heavy nuclei at the end of the cosmic-ray spectrum?)一文中提出了星爆星系是極高能宇宙線的起源的假說。他說:”這樣說可能有個人主觀成分在裏面,因為我是那個提出目前數據所傾向的星暴星系起源的那個人。”

星暴星系裡會有許多巨大的恆星被源源不斷地被製造出來。巨大的恆星生長得很快,並在超新星爆炸中死亡,而安科多基認為所有超新星的集體衝擊波形成的”超級星風”(Starburst Superwinds)是將宇宙線加速到我們發現的令人難以置信的速度的原因。

並非所有人都敢肯定這種機制會起作用。”但問題是這些衝擊波能有多快?”海德堡大學(Heidelberg University)的天體物理學家弗蘭克・里格(Frank Rieger)說。”我應該希望那些星暴星風能將粒子加速到最大的能量嗎? 目前我對此表示懷疑。”

其他研究人員則認為,星爆星系內部可能存在宇宙線加速器,而相關性研究只是從這些其他物體的大量中發現。法拉說:”作為一個支持將瞬態事件視為極高能宇宙線天然源的人,它們在星爆星系中相當豐富,因此我沒有遇到任何疑問。”

活動星系

在相關性分析中,還有一種被稱為活動星系核(active galactic nuclei, AGN)的天體,相關性稍遜於之前提到的星暴星系。活動星系核是位於活動星系的中心的被熾熱的等離子體包圍了中央超大質量黑洞。黑洞在吸入等離子體後會噴出巨大而持久的噴流。

活動星系核中最為高能和明亮的一類是射電噪活動星系核(radio-loud AGNs),同時射電噪活動星系核也是宇宙中最為明亮的恆定源。但是這些強大的射電噪活動星系核在宇宙中着實太過罕見,從而無法通過丁晨,格洛布斯和法拉的”連續模型”檢驗,以至於它們不可能成為大尺度結構的示蹤劑。

實際上,在我們的宇宙近鄰中,幾乎沒有射電噪活動星系。里格說:”射電噪活動星系核它們是很好的極高能宇宙線候選天體源,但它們不在我們銀河系的後院。”

不太強大的射電噪活動星系核更常見,並且可能類似於連續模型。例如,半人馬座A(Centaurus A)是最近的射電噪活動星系核,就位於在俄歇天文台最顯著的熱點上(星爆星系也是如此)。長期以來,里格和其他專家一直在努力尋找低功率活動星系核,並設法將將質子加速到OMG粒子水平。最近的發現使活動星系核重新擠進極高能宇宙線候選源的行列中。

天體物理學家早就知道,所有宇宙線中約有90%是質子(即氫核);另有9%是氦原子核。宇宙線也可以是較重的原子核,例如氧核甚至鐵核。但長期以來天體物理學家一直認為加速極高能宇宙線所需的劇烈過程會使重的原子核碎裂成輕原子核。

然而在2010年代早期的時候,俄歇天文台的觀測數據中,科學家從空氣噴淋的形狀驚奇地推斷出極高能宇宙線主要是中等重量的核,例如碳,氮和硅的原子核,詳情見《俄歇天文台最近的觀測結果》(Recent results from the Pierre Auger Observatory)。這些原子核在以較低速度運動時就與極高速的質子具有了相同的能量。反過來,這個觀測結果讓天體物理學家更容易想象宇宙線加速器候選源將如何工作。

例如,在里格發表的《極高能宇宙線和活動星系核噴流》(UHE Cosmic Rays and AGN Jets)一文中,他已經確定了一種機制,可以使低功率的活動星系核將宇宙線加速到極高能量――粒子可以沿活動星系核噴流表面漂移,每次重新進入噴流的最快部分時都會被加速彈出然後又落入噴流。里格說:”在這種情況下,可以用低功率射電噪活動星系核完成極高能宇宙線的加速,而且低功率射電噪活動星系核在我們的銀河系後院會有很多。”

在另一篇論文《被潮汐瓦解的恆星可能是宇宙射線和中微子在最高能量下的天體起源》(Tidally disrupted stars as a possible origin of both cosmic rays and neutrinos at the highest energies)探討了潮汐瓦解事件是否自然會產生中等重量核。亞利桑那州立大學(Arizona State University)天體物理學家塞西莉亞・盧納迪尼(Cecilia Lunardini)說:”如果發生潮汐瓦解事件的星星是白矮星,那就有可能發生。因為白矮星碰巧就是由碳,氮元素構成。當然任何”不幸的恆星”都可能發生潮汐瓦解事件。但是宇宙中有很多白矮星,所以我不認為白矮星發生潮汐瓦解事件產生這些極高能宇宙線重核這個構想是一件非常人為的東西。”

研究人員繼續探索能量最高的宇宙線傾向是重核的物理本質。但至少他們都會同意解釋將重核加速到極高能量比輕原子核要更容易。里格說:”朝着高能量的重成分的思路去研究讓解釋加速機制這個事情輕鬆了不少。”

主要產生極高能宇宙線的天體源

隨着極高能宇宙線加速器候選源的簡短清單逐漸完善,新的觀察結果將左右這些候選源誰去誰留。每一個人都會為俄歇天文台的次世代升級計劃AugerPrime感到興奮,該計劃將在今年晚些時候開始實施。升級過後的AugerPrime天文台將確定每個宇宙線事件的核子成分,而不是估計極高能宇宙線整體的成分。這樣研究人員就可以分離出質子的宇宙線事件,質子在到達地球的過程中受磁場影響偏轉最小,然後我們回頭查看它們的到達方向以識別各個天體源。當然,這些天體源可能也會產生更重的核。

許多專家懷疑,極高能宇宙線能譜是由多種天體源共同的貢獻產生的。但他們通常希望一種天體源類型起主要貢獻,而且有隻有一種天體源可以將宇宙線加速到能譜上的最高能量上。昂格評價道:”我敢打賭只有一種天體候選源會留下來。”