宇宙射线“冰玛奇朵”

(相关资料图)

艺术家印象：宇宙射线（由遥远的天体物理源产生的带电粒子）撞击地球高层大气时引起的粒子雨 [J. Yang/国家科学基金会]

我们的宇宙散布着许多能量惊人的粒子，我们将其称之为宇宙射线。这些粒子中最极端的，比如30年前检测到的，我的天（Oh-My-God）粒子，所携带的能量与职业网球发球的能量近乎相同。但，问题是：我们并未了解清楚是什么过程可以将如此多的能量浓缩到单个粒子中。今天这篇文章的作者讨论了这些粒子如何获取它们的能量，正如您早上去唐恩都乐（Dunkin"™）获取你的能量一样。

宇宙射线一览

宇宙射线是在天体物理环境中（例如超新星遗迹或活跃的星系核）被加速到高能的原子核。 尽管它们看起来像是多信使天文学工具箱中的一个很好的工具，但宇宙射线天文学并不是一项简单的任务，因为这些粒子会被河外磁场影响而发生偏转。

宇宙射线（红色）由单个质子和较重元素的原子核组成。它们在宇宙漫游的过程中被磁场偏转，导致我们无法追溯它们的起源地。[冰立方中微子天文台]

尽管我们花费了很多精力去探究宇宙射线，尤其是那些最高能量的宇宙射线的起源，目前我们仍无所获（查看这些先前研究的摘要：银河宇宙射线，宇宙射线各向异性）。

虽然我们无法探知它们的来源，但我们确实对它们的能量有所了解，并且每年各种宇宙射线实验都会检测到数百万个这样的粒子。它们中许多比最大的地球粒子加速器大型强子对撞机中的粒子能量还要高出数千到数百万倍。只是我们还是不知道最高能量的宇宙射线是如何获得能量的。

许多宇宙射线加速理论都倾向于围绕费米加速的想法展开。例如超新星遗迹这样的物体会产生由超音速运动的物质组成冲击波，这些冲击波会将粒子加速到高能。当冲击波传播时，粒子会在激波边界上来回弹跳。随着时间的推移，激波前沿的连续弹跳使得能量净转移到粒子。

虽然费米加速很好地解释了中等能量的宇宙射线，并且几十年来一直是模型的主要内容，但它仍有一些缺陷，许多人认为它不能完全解释最高能量宇宙射线加速的问题。

一杯宇宙咖啡

今天这篇论文的作者提出了一种看待宇宙射线加速的新方法：浓缩咖啡机制。为什么是浓缩咖啡？因为粒子不是随着时间的推移逐渐获得能量，而是一次浓缩获得能量。

在“浓缩咖啡机制”中，粒子在进入喷流后短时间内获得巨大的能量。这里一个初始动量和能量为pi、Ei的粒子进入具有特征洛伦兹因子Γ的喷流，并以大致等于Γ2Ei的能量离开。 [卡普里奥利等 2018]

考虑一个带有喷流的物体，例如一个活跃的星系。如果一束低能量的宇宙射线进入喷流，那么它可能在喷流中被击落，同时以更高的能量被踢出。在许多情况下，粒子能量会以系数Γ2增加，其中Γ是洛伦兹因子（这反映了喷流的移动速度）。对于某些喷流，这意味着粒子离开时拥有的能量将是进入喷流时的近1000倍。

浓缩磁流体力学（MHD）喷流

在真实建模的喷流中，物质往往会在某些区域聚集，而这些密度过高的区域（图中的色标）会导致喷流局部移动得更快或更慢。 [姆巴雷克与卡普里奥利 2019]

虽然这种浓缩咖啡方案原则上听起来不错，但许多过去的计算都依赖于喷流的简化处理，现实中它们是非常动态和复杂的结构。

这就是今天论文的作者发挥作用的地方。这些作者对浓缩咖啡机制进行了简单处理，然后通过对超相对论喷流进行完整的磁流体动力学（MHD）模拟来丰富它。其中考虑了喷流速度和喷流密度的小规模波动等因素，来更准确地描述喷流的动力学。

通过模拟喷流的完整结构，作者发现复杂的环境不会削弱浓缩咖啡加速的假设。事实上，现实喷流表现出来的不完美反而可以帮助粒子加速。更甚的是，喷流扰动让粒子获得两倍甚至三倍的能量。

在整篇论文中，作者描述了浓缩咖啡加速宇宙射线的出射光谱。在这样做的过程中，他们发现浓缩咖啡加速在能量、化学成分和空间分布方面与当前超高能宇宙射线的测量结果一致，这是其他宇宙射线加速模型无法夸耀的成就。

样本粒子轨迹（黑色曲线）在喷流切片的顶部叠加，喷流速度由顶部图表中的颜色表示。底部图表显示了沿粒子路径获得的能量，表明粒子离开喷流时所携带的能量比进入喷流时所携带的能量多得多。 [姆巴雷克与卡普里奥利 2019]

鉴于所有这些，可以肯定地说宇宙射线科学的未来将非常振奋人心。

BY: Astrobites

FY: 仙女座的梦

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