高能宇宙射線的來源

在過去的一個世紀中，物理學家對宇宙射線一直感到迷惑不解：粒子（主要是質子）高速穿越太空，它們好像均等地來自各個方向。這些星系間射流的來源是什么？它們又是怎樣獲得如此高的穿行速度的呢？一個跨國研究小組宣布，他們向解決這些問題邁出了一大步：令人信服的證據證明，至少部分宇宙射線來自超新星殘骸；超新星殘骸是恒星爆炸所產生的正在膨脹的物質外殼，起著天然粒子加速器的作用。

長期以來，宇宙射線都是一個難解之謎，因為射線間的相互作用掩蓋了射線的來源。作為帶電粒子，宇宙射線“感覺到”了太空磁場的推拉作用。結果，宇宙射線以長長的弧形軌跡穿越星系，這樣地球上的探測器才有可能跟蹤到射線的源頭。

這些粒子如此高的穿行速度表明，它們一定有著猛烈而高能的源泉。長期以來，研究人員一直認為這些高能粒子的來源就是超新星殘骸，但是沒有辦法證明這一點。“我們需要一個中性信使來觀測射線的來源。”加利福尼亞州帕洛阿爾托市斯坦福大學的斯蒂芬·芬克說。伽馬射線是作為加速質子的副產品而產生的高能光子，可以充當中性信使的角色，因為這種射線不帶電荷，因而是直線穿越太空的。但是，高速電子也會產生伽馬射線，此前研究人員無法區分來自超新星殘骸的伽馬射線是電子產生的還是質子產生的。

1949年，意大利裔美國物理學家恩里科·費米率先提出了一種超新星殘骸可能使質子加速的途徑。其加速機制大致是這樣的：超新星殘骸是正在膨脹的球形物質外殼，外殼向外推進變成彌漫于恒星之間的氣體——星際介質；這樣便在物質外殼的前部形成激波，而這個激波陣面攜帶復雜的磁場，前面和后面均有磁場；在壓縮的氣體中，像質子那樣的帶電粒子可以在兩個磁場之間來回彈跳，而且不斷穿越陣面，每次穿越都會使能量突增；最終，帶電粒子將因得到足夠高的能量而逃脫磁場，作為宇宙射線射向太空。

當高速質子與星際介質中低速的同類粒子碰撞之后，將發生相互作用，通常會產生大量的基本粒子，這些基本粒子被稱為中性介子。介子衰變后幾乎立刻變成兩柬伽馬射線，這些伽馬射線就是中性信使，能夠證明有高能質子出現。由超新星殘骸加速后的電子也會產生伽馬射線，但這兩種伽馬射線在能譜上稍有不同。由于源于質子的伽馬射線實際上來自介子，所以每束伽馬射線必定至少擁有一個介子1/2的能量，較低能量的伽馬射線在能譜上無法顯示。相對而言，源于電子的伽馬射線顯示不出高低能量的分界點。

來自深太空的伽馬射線很難被探測到，因為它們在到達地面之前就被地球的大氣阻擋在外。現在，美國航空航天局的費米伽馬射線太空望遠鏡可以探測能量分界點了。自從2008年發射升空后不久，芬克的研究小組就開始利用這架望遠鏡進行研究。芬克說：“這臺儀器并不完美，但是我們能夠在能量合適時看到分界點。我們已經明確地證實，超新星殘骸可以為宇宙射線加速。”

該研究小組證明，超新星殘骸是宇宙射線的一個來源。然而，這是主要來源嗎？芬克表示：要想解決這個問題，就需要積累更多的資料，研究更多的天體，至少現在研究人員有了所需要的工具。芬克說：“很久以前，我們對此就有了理論上的認識，現在我們只是擁有了先進技術，利用先進技術來證實以前的認識……從這個意義上講，這個研究成果很美妙！”