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大自然确实有一种超越人类智慧成果的方式。人们早就知道,极端的星体物体会将构成宇宙射线的粒子加速到惊人的能量,这使得大型强子对撞机看起来像一个儿童的弹弓。位于瑞士日内瓦附近的大型对撞机在2009年重启之前,于前一年中止启动,最终会将质子加速到7万亿电子伏特的能量。相比之下,宇宙射线质子已被测到以数千万倍的能量撞击地球;一个质子可以像一个以每小时60英里速度投掷的棒球一样具有冲击力。(对于技术爱好者来说,一些宇宙射线的能量超过1020电子伏特。)
这些粒子并没有到达地球表面。相反,在撞击大气层后,它们会散发出能量较低的次级粒子。天体物理学家试图从这些次级阵雨中确定这些宇宙速度怪物的具体来源。2007年,代表皮埃尔·奥格宇宙射线天文台南站(位于阿根廷的大型宇宙射线探测器)的科学家合作报告称,最高能量粒子的到达路径与活动星系核的位置相关,活动星系核是其他星系中心由黑洞驱动的明亮区域。这意味着最高能量的粒子从宇宙其他地方的加速器流入银河系。但一些观测细节仍不完整,对罕见的超高能事件的进一步观测减少了与活动星系核的相关性。
现在,一项基于同一实验数据的研究提出,相对较近的剧烈事件,但发生在数十万年前,也可能符合条件。根据8月27日发表在《物理评论快报》上的一篇论文,银河系内的恒星爆炸可能会将高能粒子喷射到星际空间,在那里它们会在星系的磁场中快速移动,直到撞击地球或其他天体。
该假设源于天文台(以20世纪一位法国物理学家的名字命名)提供的宇宙射线复杂性的暗示,该天文台由覆盖3000平方公里的1600个探测器组成。增加的复杂性是什么?:高能宇宙射线可能不仅仅是质子,而是原子核。“人们一直认为最高能量的宇宙射线是质子,而不是原子核,”该研究的合著者、加州大学洛杉矶分校的物理学家亚历山大·库森科说。“但皮埃尔·奥格发现,随着你能量的提高,你会得到更多的原子核。”
与更基本的质子不同,很少有原子核能够在没有分解成其组成的质子和中子的情况下,在星系际空间的长途旅行中幸存下来。“它们不应该从很远的地方到达这里,”库森科说。但是,如果这些粒子起源于银河系内部,那么这些宇宙射线似乎并不是来自银河系的中心。
该研究的作者提出,高能原子核可能在很久以前被一种被称为伽马射线暴(GRB)的剧烈恒星爆炸喷射到银河系中。“它们发生在其他星系中,因此它们应该偶尔在我们的星系中发生——每百万年发生一次或十次,”库森科说。在GRB和加速原子核到达地球之间的几年中,宇宙射线在银河系中的路径将如此漫长和混乱,以至于几乎不可能确定其来源位置。
实际上,局部的GRB可以解释宇宙射线入射轨迹的表面随机性以及在最高能量下大量原子核的增加。“一种效应可以一石二鸟,”库森科说。
但是,另一个领先的宇宙射线天文台的结果表明,可能没有两只鸟可以杀死;与皮埃尔·奥格不同,一直运行到2006年的高分辨率蝇眼(HiRes)探测器并没有说明最高能量宇宙射线中存在明显的核成分。“这就是争议所在——我们看到的东西与质子一致,”HiRes的皮埃尔·索科尔斯基说,他是HiRes所在地犹他大学的物理学家。
皮埃尔·奥格和HiRes都没有大量高能宇宙射线的优势;拥有平方公里探测器的物理学家可能必须等待100年才能观察到一次这样的事件。随着来自皮埃尔·奥格和HiRes的后继者,犹他州欣克利郊外的望远镜阵列(索科尔斯基也参与其中)的更多数据,高能宇宙射线的组成——无论是纯粹的质子还是与原子核混合——应该会变得更加清晰。这将反过来有助于澄清这些宇宙弹丸的来源——或多个来源。如果无法在阿根廷的皮埃尔·奥格和犹他州的HiRes和望远镜阵列的观测结果之间解决差异,那么天体物理学家将负责解释一个令人费解的半球二分法。“那将非常有趣,”索科尔斯基说。
“如果我是一个理论家,我会等待尘埃落定,”他说。“我有一个非常好的两瓶葡萄酒的未偿赌注,这些重原子核将会消失。”