关于高能天体物理学介绍，解释高能天体物理现象的科学理论（一个尚未解开的宇宙谜团）

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• 1、一个尚未解开的宇宙谜团
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1、一个尚未解开的宇宙谜团

每当我们抬头仰望星空时，看见的是一片祥和的宇宙。然而，这并不是宇宙真正的样子。

宇宙无时无刻充斥着巨大的能量爆发。白矮星、中子星、黑洞等活跃致密天体是产生高能天体物理现象的源头，而宇宙射线、伽马射线和高能中微子这些粒子流则作为这些巨大能量的载体，从产生的星系中离开，穿过星系际介质，再进入我们的星系，最终冲向地球。

图片来源：Swinburne University of Technology

在上述的三种载体中，宇宙射线最为常见，它由约99%的质子和原子核组成，也是近些年来天文研究的热点。

在冲向地面的过程中，地球的大气层损耗了它们绝大部分的能量。严格来讲，这是一件幸运的事，因为如此高能量的粒子流如果真的到达了地面，后果将不堪设想。

但对天文学家来说，这却没那么“幸运”了。宇宙射线要想到达地面，无可避免需要穿过由高密度的气体分子组成的近地大气，这里的“高密度”是相对于宇宙中大约每平方厘米1个氢原子的平均密度而言的。

大气中气体分子的密度使得离子（即带电粒子）的平均自由程异常地小，换句话说，那些进入近地大气的宇宙射线会被气体分子快速捕捉。这也同时使得进入近地大气的宇宙射线发生再电离的可能性变得微乎其微。

当它们到达地面时，已经成了能量极低的粒子流，因此很难被检测到。

宇宙射线经过大气时会发生复杂的反应，最终变成能量极低的粒子流。| 图片来源：CERN

1912年，美籍奥地利裔天文物理学家维克多·海斯（Victor Hess）乘坐热气球飞行到离地面5.3km的高度，成功探测到了宇宙射线。他是人类历史上第一个探测到宇宙射线的人，这一成就也让他获得了1936年诺贝尔物理奖。

现如今，我们已经拥有了许多观测基地，比如坐落在阿根廷的皮埃尔·俄歇天文台，以及数不清的卫星，让科学家更好地研究宇宙射线。

这些技术上的进步，让科学家能够更全面地了解宇宙。然而，随着我们对宇宙射线的深入了解，却发现了更多的谜题。

1966年，格里森（Greisen）、泽塔斯宾（Zetsepin）和克苏敏（Kuzmin）三位科学家分别同时计算出了理论上宇宙射线的能量上限，也就是所谓的GZK极限（GZK limit）。他们总结出，任何宇宙射线的能量都不能超过5 × 10¹⁹eV这个临界值。

这个计算是基于宇宙射线单纯由高能质子组成的假设（这一假设几乎不会对真实结果造成影响），而这些高能质子会与弥漫在空间中的微波光子发生作用。这些光子如今被称为宇宙微波背景（CMB）辐射，它们是宇宙大爆炸的遗迹。它们能量极低，只有约10⁻⁴eV，与质子的能量相比几乎可以忽略不计。因此，高能质子与CMB光子的碰撞，就好比地球撞乒乓球。

但是，当质子的能量太过巨大的时候，这个反应就会变得微妙起来。它涉及相对论效应和量子场论的相关物理。简单来说，当质子的能量超过了GZK极限后，一系列复杂的高能物理反应便会发生，导致的结果便是，质子的能量会被损耗到GZK极限之下。

换句话说，能量超过GZK极限的质子无法在宇宙中持久存在，它们的能量会很快被降低到GZK极限之下。这便是这一理论的由来。

然而，和很多的物理理论一样，这个理论并不完备。早在1962年，也就是在这一极限被计算出来前，麻省理工学院火山牧场区观测站（Volcano Ranch Station）就曾检测到超过GZK极限的宇宙射线。

在过去的六十多年间，虽然绝大多数被检测到的宇宙射线都具有远低于GZK极限的能量，但能量超过它的宇宙射线也一直存在。这些能量超过GZK极限的宇宙射线，便被称为超高能宇宙射线（UHECR）。

理论与实验观测的冲突一直是解决物理问题、提出新理论的动力，尤其是当理论看起来无懈可击，而观测看似也没有失误的时候。因此，这些超高能宇宙射线的源头是什么，自然成为了物理学家们迫切想知道答案的一个问题。这正是现如今天体物理学和宇宙学的研究中最重要的开放问题之一。

现今，比较广为接受的“候选者”包括但不限于：伽马活动星系核（AGN）、星爆星系（SBG），以及嵌入磁场中的黑洞。不少论文对此进行过讨论，论证了这些系统产生超高能射线的过程，并提供了详细的理论架构。简单来说，这些天文现象之所以被认为能生成超高能量的宇宙射线，是因为它们会对射线进行二次加速。

不论是AGN还是SBG，它们活跃的星体部分都只能将质子加速到一个较高、却仍远低于GZK极限的能量；然而，在这些质子即将离开所在的星系时，一些发生在星际介质与星系周介质的相对论效应冲击波所产生的超级风，会对即将离开星系的质子二次加速。这些冲击波往往拥有着极高的马赫数（即等离子流体速度与介质中声速的比值。当马赫数大于1时，我们称之为超声波）。这样的二次加速过程，使得UHECR的产生变成了可能。

M82星系，望远镜曾捕捉到这个星系经历恒星形成的爆发时发生了什么。| 图片来源：X-ray: NASA/CXC; Optical: NASA/STScI

当然，以上只是非常粗略的描述，实际情况将会涉及许多十分复杂的物理变化过程。而且，由于上述的几种源头都是存在于银河系外，目前还很难对它们进行详细的观测。即便天文学家可以得到部分观测数据，也是经过了各种损耗的不全面的数据。

现如今的主流研究方法是进行超级计算机模拟，借助星系演化理论、磁流体（MHD）理论和等离子物理等理论，赋予一系列复杂的偏微分方程初始值，再利用超级计算机对此进行数值计算，从而得到模拟的数据结果。在此虽寥寥数语，这却是无数科研人员持续数十年来每天的工作。

到目前为止，人们还没有得到破解超高能宇宙射线秘密的最终答案。然而，正如历代伟大的物理学家一样，我们人类从来没停止过尝试寻找问题的答案。

这或许便是物理学能让人如此着迷的原因吧。

#创作团队：

文字：原理实习生 Deer

编辑：杭州小张、Takeko

#参考来源：

Anchordoqui, Luis A. "Ultra-high-energy cosmic rays." Physics Reports 801 (2019): 1-93.

Anchordoqui, Luis Alfredo. "Acceleration of ultrahigh-energy cosmic rays in starburst superwinds." Physical Review D 97.6 (2018): 063010.

#图片来源：

封面及文首来源：Swinburne University of Technology

2、关于高能天体物理学介绍

[拼音]：gaoneng tianti wulixue

[外文]：high energy astrophysics

理论天体物理学的一个分支学科，主要研究发生在宇宙天体上的高能现象和高能过程。这里的高能现象或高能过程一般是指下述两种情形：

（1）所涉及的能量同物体的静止质量相对应的能量来比，不是一个可忽略的小量；

（2）有高能粒子或高能光子参与的现象或过程。二十世纪六十年代以来，随着类星体、脉冲星、宇宙X射线源、宇宙γ射线源等的相继发现，空间技术和基本粒子探测技术在天文观测中的广泛应用，以及高能物理学对天体物理学的不断渗透，对宇宙中高能现象和高能过程的研究便日益活跃起来。

宇宙中的高能现象和高能过程是多种多样的，超新星爆发、星系核的活动和爆发、天体的 X射线和γ射线辐射、宇宙线和中微子过程（见中微子天文学）等都是明显的例子。此外，在某些天体上，例如类星体和脉冲星等，也有一些高能过程。它们都是高能天体物理学的研究对象。高能天体物理学已经取得一些重要的研究成果，主要表现在以下几个方面：

（1）对于在恒星上可能发生的中微子过程作了开创性的研究，发现光生中微子过程、电子对湮没中微子过程以及等离子体激元衰变中微子过程等，对晚期恒星的演化有重要的影响；

（2）对太阳中微子的探测发现实验值与理论值有较大的差距；

（3）关于超新星的爆发机制，提出了一种有希望的理论；

（4）超新星爆发可能是宇宙线的主要源泉；

（5）在宇宙线中探测到一些能量大于 10²⁰电子伏的超高能粒子，中国科学院原子能研究所云南站在1972年发现一个可能是质量大于1.8×10^-23克的荷电粒子；

（6）发现星系核的爆发现象和激烈的活动现象；

（7）1973年发现宇宙γ射线爆发，1975年又发现宇宙X射线爆发，二者是七十年代天体物理学的重大发现；

（8）对超密态物质和中子星的组成、物态和结构作了相当深入的研究。

高能天体物理学和高能物理学之间有十分密切的联系，它们相互渗透，相互促进。例如，①1958年范曼和格尔曼提出的普适弱相互作用理论容许有 (ēv_e)型荷电轻子弱流的自耦合过程。隆捷科沃和丘宏义等人研究了这种自耦合过程在天体物理学上的应用，发现它们对晚期恒星的演化有重要的作用。这一结果不仅促进了恒星演化理论的深入发展，而且使人们坚信在自然界确实存在这种过程。不久前，这种自耦合过程在实验室里果然得到证实。

（2）按照经典理论，一切粒子只能落入黑洞之中，而不可能从黑洞内射到外面去。但是，从量子效应的观点来看，黑洞却可能成为可以发射粒子的天体。量子论和引力论的这一发展反过来又为研究强引力场中的基本粒子过程开辟了广阔的领域。

（3）粒子物理学的研究成果帮助人们认识到，中子星的内部可能有各种超子和π介子，这是天体物理学的一个进展。但伴随而来的却是要求粒子物理学研究许多更新的课题，例如，当物质密度远远超过原子核密度时，物质由何种粒子组成？粒子间的相互作用如何描述? 它们的物态方程如何确定? 等等。

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