神秘的高能宇宙射線到底源於何處？這種「氣泡」可能是源頭

宇宙射線是一種干擾，它們往往帶著神秘的面紗，但也是我們窺視銀河的窗口。它們源於高能爆發的粒子（多為質子），並在撞擊大氣層時帶來其他高能粒子的「雨」。

不管我們願不願意，它們總會像圖像上的條紋或計算機內存中的錯誤那樣出現。更直接的說，它們干擾著全球各地的暗物質和中微子探測器，對每個研究人員來說都是一種麻煩。

話雖如此，宇宙射線仍然神秘，吸引著無數物理學家「前仆後繼」。它們從哪來？這個問題直到幾年前還有爭議性。

而事實證明，隨著恆星的爆炸，與衝擊波有關聯的磁場可以將粒子加速到大約1015電子伏特（Electron Volts）的能量（相比之下，LHC歐洲大型粒子對撞機在約1012eV的能量下工作）。

圖丨銀河系的費米氣泡為圖中心區域紅色密集斑塊

但這並不能解釋全部的宇宙射線，也有一些已檢測到的具有更高能量的宇宙射線，它們對我們來說仍是一個謎。

目前，有科學家認為，這些具有更高能量的宇宙射線可能也來自超新星爆炸，但是以一種間接的形式：首先，粒子必須先跑出銀河系，然後在被衝擊波衝擊後再「紅著臉」跑回來。

支持該說法的證據之一源於一個簡單的推算，如果計算宇宙射線形式的超新星平均能量釋放量，並用地球測量標準來估計宇宙射線的總通量，你發現幾乎所有的宇宙射線都應該源於超新星爆炸。而超高能射線（1015-1019eV）是如此的罕見，因此它們歸類為「由超新星產生」幾乎是一種估算錯誤。

但該推算存在一個大問題：宇宙射線的能量越高，散射越強，所以具有超高能量的宇宙射線應該來自附近才對（不然太遠的話，因為散射，傳到地球的時候能量會變得很弱，以至於我們觀測不到）。我們應該能直接觀測到那顆超新星產生的其他輻射，並確定它們的來源，或著超新星應該會讓地球輪罩在輻射的「煙霧」中。

最新的研究顯示，要解決這個問題，我們首先需要發現費米氣泡。在費米伽瑪射線望遠鏡（Fermi Gamma-ray Telescope）發射後，它觀測到從銀河系中心輻射出的兩個氣泡（實際上是德國X射線望遠鏡首先發現）。當電子加速到非常高的能量時，這些氣泡會放出伽馬射線，就像一個天然的粒子加速器。

人們目前認為，費米氣泡由銀河系中心區域大規模事件的衝擊波造成。衝擊波會從事件中心迅速向外擴散，並加速其傳播路徑上的所有帶電粒子，包括那些源自超新星，速度已經很快的宇宙射線。

你可能會想知道，衝擊波是如何趕上快速移動的宇宙射線的。答案源於宇宙射線的行進方式，它們雖然速度很快，但並不能直線移動，因為它們本身帶電，會與包括宇宙微波背景輻射在內路過的任何東西發生散射，並隨著時間的推移失去能量。

因此，來自銀河中心的大量衝擊波會趕上這些宇宙射線，並為它們再加速。這些宇宙射線中的一些會返回我們所在的星系，「迷惑」物理學家。

為了檢驗這種設想，研究人員建立了一個衝擊波的簡化模型，並以此研究了宇宙射線在被衝擊波加速後會如何變化。在研究中，他們用宇宙射線的傳播模型估計了源自費米氣泡的射線會怎樣影響模型中地球上所觀察到的宇宙射線通量。結果表明，通過引入一個自由參數，模型與現實觀察到的射線能量高達約1019eV的射線通量相符。

雖然該模型仍無法解釋能量高於1019eV的罕見超高能宇宙射線，但宇宙射線領域的謎題正被逐漸解開。當然，我們目前並不能說該模型就是對的，其正確與否將取決於未來對費米氣泡更好的觀測，以及我們對費米氣泡形成機理的更深理解。

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