理論統一開始？三種極端能量空間粒子的新理論
【博科園-科學科普-留言評論或建議有驚喜哦~( ^_^)】新模型連接了高能中微子的起源，超高能量的宇宙射線，以及在其環境中嵌入黑洞噴射的高能伽馬射線。天體粒子物理學中最大的謎團之一就是超高能量宇宙射線的起源，高能中微子和高能伽馬射線。現在一種新的理論模型顯示，在宇宙射線被超大質量黑洞的強力噴射加速後都可以被射向太空。該模型同時解釋了這三種「宇宙信使」粒子的自然起源，並且是基於詳細數值計算的第一個天體物理模型。由賓夕法尼亞州立大學和馬里蘭大學的科學家們製作的一份科學論文將於2018年1月22日在《自然物理》雜誌網站上發表。
賓夕法尼亞州立大學物理學和天文學和天體物理學教授Kohta Murase說：模型顯示一種理解為什麼這三種類型的宇宙使者粒子有驚人的相似的電源輸入到宇宙，儘管觀察到太空和地面探測器在單個粒子能量十個數量級，非常高能的中微子、超高能量的宇宙射線和高能伽馬射線的實測強度，這一事實幾乎可以與之相媲美，我們不禁會想，這些極高能的粒子是否具有某種物理聯繫。新模型表明高能中微子和高能伽馬射線是通過粒子碰撞產生的，作為宇宙射線的子粒子，因此可以繼承其母體粒子的可比能量預算。這表明這三種宇宙信使的類似能量學可能並不僅僅是巧合。
這張圖片展示了來自巨大的宇宙射線的「多信使」發射，它是由超大質量黑洞的強力噴射而加速的。從黑洞活躍的星系核逃逸出來的高能宇宙射線被困在作為宇宙射線儲層的磁化環境中。高能量的中微子和伽馬射線是在它們被囚禁期間在磁化環境中產生的，在它們的傳播過程中在星系間的空間中產生。高能量的宇宙射線、高能中微子和伽瑪射線最終到達地球，在那裡可以給我們一個統一的宇宙粒子累積通量的圖像。圖片版權：Kanoko Horio
超高能宇宙射線是宇宙中最高能的粒子——它們中的每一個都攜帶著一種能量，即使在世界上最強大的粒子加速器——大型強子對撞機(lhc)中也無法產生。中微子是一種神秘的、幽靈般的粒子，幾乎不與物質發生相互作用。在南極洲的冰立方天文台發現了高能中微子，其能量超過100萬電子伏。伽瑪射線是已知的最高的電磁能量輻射，費米伽馬射線空間望遠鏡和其他地面觀測站觀測到的能量比可見光的光子高出十億倍以上。將這三種宇宙信使的所有信息相結合，是相輔相成的，而且這種多信使的方法在最近幾年變得非常強大。
Murase和他的第一作者，馬里蘭大學的博士後Ke Fang，試圖解釋最新的多信使數據來自非常高能的中微子，超高能量的宇宙射線和高能伽馬射線，基於一個單一但現實的天體物理裝置。他們發現通過使用數值模擬來分析這些帶電粒子的命運，可以很好地解釋多信使數據。在我們的模型中宇宙射線是由活動星系核的強大噴射加速的，它們通過射流末端經常被發現的無線電波發射出去。然後計算在磁場存在的情況下，星系群和群內的宇宙射線的傳播和相互作用。進一步模擬了宇宙射線在源和地球間的磁場之間的傳播和相互作用。最後整合了宇宙中所有來源的貢獻。
在半個世紀以來，宇宙中最高能量的宇宙粒子起源之謎的主要嫌疑人都在被稱為「活動星系核」的星系中，它在中央超大質量黑洞周圍有一個超輻射的核心區域。一些活躍的星系核伴隨著強大的相對論性噴流。由噴流或其環境產生的高能宇宙粒子幾乎和光速一樣被射向太空。研究表明從活動星系核及其周圍環境(如星系團和組)中逸出的超高能量宇宙射線可以解釋超高能宇宙射線光譜和組成。它還可以解釋一些由地面實驗發現的無法解釋的現象。同時在1億多兆電子伏特以上的高能中微子譜可以通過宇宙射線和星系團和群中的氣體的粒子碰撞來解釋。來自星系群和星系間空間的相關伽馬射線發射與未解釋的高能量伽馬射線背景中無法解釋的部分相匹配，而這與一種特定類型的活動星系核並不相關。
這個模型為進一步嘗試建立一個統一的模型鋪平了道路。這些宇宙信使都是由同一類天體物理源和高能中微子和伽馬射線產生的共同機制相互聯繫在一起的。然而也有其他的可能性，需要解釋一些新的謎團，包括在南極冰立方天文台記錄的千萬兆電子伏範圍內的中微子數據。因此基於多信使方法的進一步研究——將理論與所有三個信使數據結合起來——對測試新模型至關重要。
這個新模型預計將激勵研究星系群和群，以及發展其他統一的高能宇宙粒子模型。當觀測開始與下一代中微子探測器(如IceCube-Gen2和KM3Net)以及下一代伽瑪射線望遠鏡(切倫科夫望遠鏡陣列)進行觀測時，預計將進行嚴格的測試。多信使粒子天體物理學的黃金時代最近開始了。現在可以從所有不同類型的宇宙信使中學習到的所有信息，對於揭示極端能量宇宙粒子的物理知識和對我們的宇宙有更深的了解是很重要的。
知識：科學無國界，博科園-科學科普
參考：Nature Physics
內容：經「博科園」判定符合今主流科學
來自：倫敦大學學院
編譯：中子星
審校：博科園
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