超高能宇宙射线

在粒子天文物理中，超高能宇宙射线（Ultra-high-energy cosmic ray，UHECR）是指能量高于1 EeV（1018电子伏特，相当约0.16焦耳）的宇宙射线，其能量远高于其他典型宇宙射线的静质量与能量。 
极高能宇宙射线（Extreme-energy cosmic ray，EECR）是能量超过5×1019 eV（相当约8焦耳）的UHECR。5×1019 eV这个值即所谓GZK极限，指的是长距离行进（约1.6亿光年）的宇宙射线质子会因为宇宙微波背景（CMB）中光子的散射，导致能量有上限。因此，EECR不可能自早期宇宙就存在至今，而是宇宙学上较「年轻」的宇宙射线，而且因某种未知的物理过程而从本超星系团的某个位置发射出来。如果EECR不是质子，而是核子数为  的原子核，那么GZK极限也适用该核子数，只是原子核的总能量限制前带有  的分数。对于铁原子核，相应的极限会是u=eV 。但是，核物理过程导致铁原子核的极限与质子相近。其他高丰度的原子核其极限甚至更低。 
这些粒子非常稀有；在2004年至2007年之间， 皮埃尔・奥格天文台 （PAO）初始运行时检测到27起事件，估计它们抵达天文台时能量超过 u=eV ，也就是说，该天文台所调查的 3000 km2 面积之中大约每四周就发生一次这样的事件。  
有证据显示，这些最高能量的宇宙射线可能是铁原子核 ，而不是构成大多数宇宙射线的质子。  
人们推定EECR的（假说性的）发射源称为捷伐加速器（Zevatron），其命名就如同劳伦斯・柏克莱国家实验室的贝伐加速器（Bevatron），以及费米实验室的兆电子伏特加速器（Tevatron）一样，所以能够将粒子加速到1 ZeV（1021 eV，皆电子伏特）。基于星系喷流内部的冲击波可引起粒子的扩散加速，星系喷流在2004年一度被考虑可能就是Zevatron。特别是，模型表明，附近M87星系喷流冲击波可能将铁原子核加速到ZeV范围。  2007年，皮埃尔・奥格天文台观测到EECR与附近星系中心的河外超大质量黑洞（叫做活跃星系核）具有关联性。 然而，随着持续的观察，两者关联性的强度变得越来越弱。虽然最新的结果显示这些EECR中似乎只有不到40％来自AGN，其相关性比以前报道的要弱得多，但活跃星系核磁层中加速度的离心机制也可以解释极高的能量 。 格里布（Grib）和帕夫洛夫（Pavlov）（2007，2008）的提出一个更具推测性的建议，是设想超重暗物质通过潘罗斯过程的衰变 。

**观测史**
1962年，约翰・D・林斯利（John D Linsley）博士和利维奥・斯卡西（Livio Scarsi）博士在新墨西哥州的火山牧场实验中首次观察到能量超过u=eV（16 J）的宇宙射线粒子。  
从那之后，人们就观测到具有更高能量的宇宙射线粒子。 其中包括1991年10月15日晚上，在犹他州Dugway试验场上 ，由犹他大学的「苍蝇眼」（Fly's eye）实验观察到的Oh-My-God粒子 。该次观测结果震惊了天文物理学家 ，他们估算其能量约为u=eV（50 J） ——换句话说， 原子核的动能相当于以时速100公里（时速60英里）飞行的棒球（142克或5盎司）。

**超高能宇宙射线天文台**

**可能的解释**

**中子星**

**活跃星系核**
UHECR与蓝移的宇宙微波背景辐射会发生相互作用，这限制了UHECR在失去能量之前可以行进的距离；这就是Greisen–Zatsepin–Kuzmin极限（GZK极限）。 

**其他可能来源**
UHECR的其他可能来源是： - 强大的电波星系的无线电波瓣（radio lobes） - 在星系形成时期产生的星系间冲击波 - 超新星  - 相对论超新星  - 伽马射线暴   - 拓扑缺陷产生的超大规模粒子的衰变产物，是早期宇宙相变留下的产物 - 经历潘罗斯效应的粒子 - 先子星  

**与暗物质的关系**
根据推测，活跃星系核能将暗物质转化为高能质子。 圣彼得堡亚历山大・弗里德曼理论物理实验室的尤里・帕夫洛夫（Yuri Pavlov）和安德烈・格里布（Andrey Grib）推测，暗物质粒子的质量约为质子＝的15倍，而且它们可以分解为成对、与普通物质相互作用的较重虚粒子。  如潘罗斯过程所描述的，这些粒子之一可能靠近活跃星系核，而另一个则逃逸。 那些粒子当中有会与入射的粒子碰撞；根据帕夫洛夫的说法，这是能量非常高的碰撞，可以形成具有高能量的一般可见的质子。 帕夫洛夫又宣称，这种过程的证据就是超高能宇宙射线粒子。  超高能宇宙射线粒子也可能是由超重暗物质「X粒子」（例如黑洞子）的衰变而产生的。   这种能量甚高的衰变产物携带着X粒子质量的一部分，被认为合理解释了我们观察到的超高能宇宙射线。 

**参见**
 河外宇宙射线- Oh-My-God粒子——出乎意料的超高能宇宙射线

**参考文献**

**延伸阅读**
 Cite journal|title=In search of a source for the 320 EeV Fly's Eye cosmic ray|url=https://archive.org/details/sim_astrophysical-journal_1995-03-01_441_1/page/n154|last=Elbert|first=J. W.|last2=Sommers|first2=P.|date=1995|journal=The Astrophysical Journal|issue=1|doi=10.1086/175345|volume=441|pages=151–161|arxiv=astro-ph/9410069|bibcode=1995ApJ...441..151E- Cite book|last=Clay|first=R.|last2=Dawson|first2=B.|date=1997|title=Cosmic Bullets: High Energy Particles in Astrophysics|url=https://archive.org/details/cosmicbulletshig0000clay_l9x4|publisher=Perseus Books|isbn=978-0-7382-0139-9- Cite journal|title=Fly's Eye Spies Highs in Cosmic Rays' Demise|last=Seife|first=C.|date=2000|journal=Science|issue=5469|doi=10.1126/science.288.5469.1147a|volume=288|pages=1147–1149|pmid=10841723- Cite journal|title=Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects|last=The Pierre Auger Collaboration|authorlink=Pierre Auger Observatory|last2=Abreu|date=2007|journal=Science|issue=5852|doi=10.1126/science.1151124|volume=318|pages=938–943|arxiv=0711.2256|bibcode=2007Sci...318..938P|pmid=17991855|laydate=Arisaka|last3=Aglietta|last4=Aguirre|last5=Allard|last6=Allekotte|last7=Allen|last8=Allison|last9=Alvarez

**外部连结**
  The Highest Energy Particle Ever Recordeddate=20090815102123  The details of the event from the official site of the Fly's Eye detector.- John Walker's lively  analysis of the 1991 eventdate=20200516175741 , published in 1994-  Origin of energetic space particles pinpointeddate=20200516141821 , by Mark Peplow for news@nature.com, published January 13, 2005.