宇宙之谜(宇宙之谜读后感)

每每大家仰头仰望星空时，看到的是一片祥和的宇宙空间。殊不知，这并没有宇宙空间真真正正的模样。

宇宙空间时时刻刻弥漫着极大的能量暴发。白矮星、中子星、超级黑洞等活跃性高密度星体是造成高能天体物理状况的根源，而宇宙射线、放射线和高能中微子这种粒子流则做为这种极大能量的媒介，从发生的星系中离去，越过星系际物质，再加入人们的星系，最后奔向地球上。

图片出处：Swinburne University of Technology

在以上的三种媒介中，宇宙射线更为普遍，它由约99%的质子和原子构成，也是近几年来天文学科学研究的网络热点。

在奔向路面的环节中，地球上的地球大气层耗损了他们大多数的能量。严苛而言，这也是一件好运的事，由于这般高能量的粒子流假如确实达到了路面，不良影响将无法预料。

但对科学家而言，这却没那麼“好运”了。宇宙射线要想抵达路面，在所难免必须越过由致密的空气分子结构构成的近地空气，这儿的“密度高的”是相比于宇宙空间中大概每立方厘米一个氢原子的大概相对密度来讲的。

空气中空气分子结构的硬度促使正离子（即自由电子）的真空磁导率出现异常地小，也就是说，这些进到近地空气的宇宙射线会被汽体分子结构迅速捕获。这也与此同时促使进到近地空气的宇宙射线产生再水解的概率越来越几乎为零。

当他们抵达地面上时，早已变成能量非常低的粒子流，因而难以被检验到。

宇宙射线历经空气的时候会产生错综复杂的反映，最后变为能量非常低的粒子流。| 图片出处：CERN

1912年，美国国籍德国裔天文学科学家维克多·海斯（Victor Hess）搭乘气球航行到离路面5.3km的相对高度，取得成功检测到宇宙射线。他是人类发展史上第一个检测到宇宙射线的人，这一造就也使他得到了1936年诺贝尔奖物理学奖。

目前，大家早已具有了很多观察产业基地，例如座落在克罗地亚的皮埃尔·俄歇天文台认证，及其许许多多的通讯卫星，让生物学家能够更好地科学研究宇宙射线。

这种工艺上的发展，让生物学家可以更全方位地掌握宇宙空间。殊不知，伴随着人们对宇宙射线的深入了解，却察觉了大量的迷题。

1966年，格里森（Greisen）、泽塔斯宾（Zetsepin）和克周媛（Kuzmin）三位生物学家各自与此同时测算出了理论上宇宙射线的能量限制，也就是所说的GZK極限（GZK limit）。她们归纳出，一切宇宙射线的能量都无法超出5 × 101?eV这一临界点。

这一估算是根据宇宙射线单纯性由高能质子构成的假定（这一假定基本上不可能对真正結果产生危害），而这种高能质子会与弥漫着在区域中的微波加热光量子产生功效。这种光量子现如今被称作宇宙空间微波加热环境（CMB）辐射源，他们是宇宙膨胀的遗址。他们能量极低，仅有约10??eV，与质子的能量对比基本上能够忽略。因而，高能质子与CMB光量子的撞击，就如同地球上撞乒乓球赛。

可是，当质子的能量过于极大的情况下，这一反映便会越来越微弱起來。它涉及到相对论效应和量子场论的有关物理学。简易而言，当质子的能量超出了GZK極限后，一系列错综复杂的高能物理反应便会产生，造成的最后就是，质子的能量会被耗损到GZK極限下。

也就是说，能量超出GZK極限的质子没法在宇宙空间中长久存有，他们的能量会迅速被减少到GZK極限下。这就是这一理论的来历。

殊不知，和许多的物理学理论一样，这一理论并不完善。早在1962年，也就是在这里一極限被推算出来前，麻省理工大学活火山农场区观测点（Volcano Ranch Station）就曾检验到超出GZK極限的宇宙射线。

过去的六十多年间，尽管绝大部分被检验到的宇宙射线都具备远小于GZK極限的能量，但能量超出它的宇宙射线也一直存有。这种能量超出GZK極限的宇宙射线，便被称作超高能宇宙射线（UHECR）。

理论与试验观察的矛盾一直是处理物理问题、明确提出新理论的驱动力，尤其是当理论看上去无懈，而观察看起来都没有出错的情况下。因而，这种超高能宇宙射线的根源是啥，当然变成了科学家们急切想要知道结果的一个难题。这恰好是目前天体物理学和天文学的分析中最重要的对外开放难题之一。

现如今，较为广泛接纳的“候选者”包含但不限于：伽马主题活动星系核（AGN）、星爆星系（SBG），及其置入电磁场中的超级黑洞。许多毕业论文对于此事开展过探讨，论述了这种系统软件造成超高能放射线的全过程，并出示了详尽的理论构架。简易而言，这种天文奇观往往被指出能转化成极高能量的宇宙射线，是由于他们会对放射线开展二次加快。

无论是AGN或是SBG，他们活跃性的星体一部分都只有将质子加快到一个较高、却仍远小于GZK極限的能量；殊不知，在这种质子将要离去所处的星系时，一些产生在星际帝国物质与星系周物质的相对论效应震波所造成的非常风，会对将要离去星系的质子二次加快。这种震波通常有着着很高的马赫数（即低温等离子液体速度物质中波速的比率。当马赫数超过1时，大家称作超音波）。那样的二次加快全过程，促使UHECR的造成变成了很有可能。

M82星系，望眼镜曾捕获这一星系历经行星产生的暴发时发生什么事。| 图片出处：X-ray: NASA/CXC; Optical: NASA/STScI

自然，之上仅仅十分简单的叙述，具体情况可能涉及到很多十分复杂的物态变化全过程。并且，因为以上的几类根源全是出现于太阳系外，现阶段还难以对他们开展具体的观察。就算科学家能够 获得一部分观察数据信息，也是通过了各种各样消耗的不全方面的数据信息。

目前的流行研究思路是开展高性能计算机仿真模拟，依靠星系演变理论、磁流体（MHD）理论和低温等离子物理学等理论，授予一系列错综复杂的偏微分初值，再运用高性能计算机对于此事开展数值计算方法，进而获得仿真模拟的信息結果。在这里虽只字片语，这则是成千上万科技人员不断数十年来每一天的工作中。

到迄今为止，大家都还没获得破译超高能宇宙射线密秘的最后回答。殊不知，如同各代杰出的科学家一样，大家人们从未终止过试着找寻问題的回答。

这也许就是物理能令人这么痴迷的缘故吧。

#写作精英团队：

文本：基本原理见习生 Deer

编写：杭州市小赵、Takeko

#参照来源于：

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.

#图片出处：

封面图及文首来源于：Swinburne University of Technology