在超高能宇宙线面前，伽马射线暴并不算什么

原文标题：《【宇宙杂谈】在超高能宇宙线面前，伽马射线暴就是个弟弟！（文字版）》

作为足以充当“大过滤器”的宇宙高能事件，伽马射线暴（GRB）有多高能想必大家多少都有了解。但是伽马暴毕竟是一大束光子，如果只看单个光子的话，它的能量顶多在 TeV 这个级别。众所周知，当今最大的粒子加速器 —— 大型强子对撞机（LHC）可以将质子加速到接近光速，此时一个质子能量也可以达到伽马暴的 TeV 级别。虽说一个是光子，一个是质子，后者占了质量上的优势，但小小的人类竟然真能有“比肩神明”的能力？对此宇宙表示：“我只想说两个字 —— 呵呵。”

宇宙线即宇宙射线，它是来自宇宙空间的高能粒子，主要由亚原子粒子（比如质子）构成。对于一些超高能的宇宙线，它单个粒子的能量可以超过 100EeV，是目前大型强子对撞机的上千万倍！除了具有匪夷所思的能量外，这些宇宙线的身世也是个迷。虽然距离首次发现宇宙线已过百年，但是“这些神秘粒子是哪来的”，“当初是什么东西把它们加速到了如此高的能量”，这些问题一直困扰着科学家们。想要搞清楚事情的来龙去脉，还是得从源头上找起。

然而我们知道，质子是一种带正电的粒子，由于携带电荷，它们的运动会受磁场作用而发生偏转。不管是银河系还是河外星系，宇宙中能对粒子产生影响的星际磁场并不罕见。因此，这些粒子很可能在来的路上就已经“山路十八弯”了，想找到源头极为困难。

“只要思想不滑坡，办法总比困难多” 真要寻找源头，办法也不是没有。理论认为，当带电粒子的能量足够高时，其运动受到的影响就小了。所以找到更高能量的粒子或许就是一个办法。

1991 年 10 月 15 日，美国犹他州的“蝇眼”宇宙线探测器捕捉到了一次超高能的粒子事件。迄今为止，它仍是人类观测到的具有最高能量的宇宙射线，单个粒子能量达到了惊人的 320 EeV！

320 EeV 有多高呢？如果换算成熟悉的焦耳，这个能量差不多相当于你往地上扔了一块砖！要知道，这可是一个小小的微观粒子所具有的能量！以至于目睹这一事件的科学家们直呼：“Oh My God!” 于是，这一粒子也有了个响亮的名字 ——“Oh-My-God 粒子（Oh-My-God particle）”。

你可能会好奇：一个粒子真能有这么大劲？那假如它当初没有打到探测器上，而是打到了某个人身上会怎么样？

答案是：不会怎样，完全感觉不到。因为这只是单个粒子，数量太少，关键它还非常小。你想想：一个质子，比原子核还要小，对它来说你整个人几乎就是个空架子，所以大概率上它会直接从你体内穿过。但是当粒子足够多时，构成人体组织的粒子被击中的概率就大了，这也是宇航员要避免长期暴露在宇宙射线中的原因。

而对于地球上的我们来说，鉴于地球磁场的存在，宇宙线中的大部分高能粒子都会被地磁偏转。即使存在一些漏网之鱼，它们也会在进入大气层后与大气中的氮、氧等元素的原子核发生碰撞，形成次级粒子，这样原本粒子的能量就被大大削弱了，这种现象被称为“大气簇射”也叫“空气簇射”。

另外，宇宙线的能量越高，粒子就越稀少，能量超过 100EeV 的超高能粒子就更为罕见。当前理论认为，当粒子的能量超过 60EeV 时，它会与宇宙微波背景辐射的光子发生相互作用，从而削弱其能量。所以，Oh-My-God 粒子的能量之高，意味着它或许来自不那么遥远的地方，可能就在本超星系团内。

即使这样，能够产生如此高能的粒子，想必也得是超大质量黑洞喷流或者是星系碰撞这种大事件吧。然而当天文学家们向粒子的来源方向望去，他们却没有看到任何类似的东西。

2021 年 5 月 27 日，一位日本天文学家在对犹他州那台探测器进行例行数据检查时，一个异常的信号引起了他的注意。经过两年半的反复确认，2023 年 11 月研究团队宣布，一个能量高达 240 EeV 的宇宙线粒子被探测到，同时他们以日本太阳女神的名字将其命名为“天照粒子”。

然而当人们满怀希望再次望向粒子来源的方向时直接傻了眼，因为目标方向竟然是个空洞！

这是一个跨度达到了 1.5 亿光年，位于本星系群旁边的一片空荡区域，天文学家称其为“本地空洞（Local Void）”。虽然叫空洞，但是这里面也不是说什么都没有，只是这里的星系密度相对其他区域要低很多。不管怎样，最终研究人员在这里以及附近所有可能的地方，都没发现与之匹配的天体。

至此，人们提出了两种可能：

1、要么是我们的模型不对，计算宇宙线受磁场影响时出了问题，也就是找错了方向；

2、要么是存在超出标准模型的新物理，比如某种未知的粒子，它不会与微波背景发生作用，这样它就有可能是从更远的地方过来的，而不在我们附近。

抛开这两种可能，我们还有其他方法来定位宇宙线来源吗？有，就是探测次级粒子。

除了与地球大气发生作用外，宇宙线中的初级粒子也会在来地球的路上与星际介质发生作用，这个过程会产生依旧相对高能的伽马光子、中微子等次级粒子。这些次级粒子由于不带电，不会被星际磁场干扰，所以它们的来源方向相对明确。

在天照粒子发现的前一年（2020 年），中国高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO）捕捉到了 12 颗超高能伽马光子。其中能量最高的一颗达到了 1.4PeV，创下了当时能量最高的伽马光子记录。这次发现的粒子不但能量高，更重要的是，它们的来源不在别处，就在我们银河系内！虽然先前发现的那些超高能粒子已经算是比较“近”的了，但是相较于它们，这次的粒子简直就在家门口。很快研究人员便锁定了本次宇宙线的来源目标 —— 天鹅座区域。之后在该区域拉索又陆续发现了多颗超高能的伽马光子。

在获得了足够多的数据后，2024 年 2 月，研究团队再一次确定了这些宇宙线的具体来源 —— 天鹅座 OB2 星协！

在先前锁定的天鹅座的恒星形成区（Cygnus X）中，研究人员发现了一个相当于 1000 万个太阳系的巨大泡状结构，在这里他们找到了多个超高能光子，其中能量最高的一个达到了 2PeV。现有数据表明，这些光子应该都来自于该泡泡的中心区域，而这里恰好坐落着一个由 O 型和 B 型大质量恒星构成的 OB 星协。至此，人们首次揭开了超高能宇宙线起源的神秘面纱。

这些大个子恒星表面温度非常高，同时有着超强的辐射，强度甚至可以达到太阳的百万倍。巨大的辐射压会把恒星的表面物质吹散，形成强烈的恒星风。此时恒星风的粒子能量并不高，速度只有每秒几千公里。但是这些恒星风与周围的星际介质（包括恒星风之间）会发生碰撞，这种剧烈的碰撞环境对恒星风中的粒子来说，就是一个宇宙级的粒子加速器。通过它们，粒子最终会被加速到接近光速，而其具有的能量也将达到人类望尘莫及的高度。

论文 & 综述：

• [1] Péter Mészáros, Katsuaki Asano, Péter Veres. Gamma Ray Bursts: recent results and connections to very high energy Cosmic Rays and Neutrinos. arXiv preprint arXiv:1209.2436,2012.

• [2] TELESCOPE ARRAY COLLABORATION. An extremely energetic cosmic ray observed by a surface detector array[J]. Journal of Science, 2023, 382(6673):903-907.

• [3] LHAASO Collaboration. An ultrahigh-energy γ-ray bubble powered by a super PeVatron[J]. Science Bulletin, 2024, 69(4):449-457

文章 & 新闻：

• [1] QuantaMagazine: The Particle That Broke a Cosmic Speed Limit

• [2] 中国科学院高能物理研究所: 拉索发现巨型超高能伽马射线泡认证第一个超级宇宙线加速源

• [3] wiki: Oh-My-God particle

• [4] wiki: Amaterasu particle

• [5] wiki: Cygnus X (star complex)

• [6] wiki: Cygnus OB2

本文来自微信公众号：Linvo 说宇宙 （ID：linvo001），作者：Linvo

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