超高能宇宙射線

在粒子天文物理中，超高能宇宙射線（Ultra-high-energy cosmic ray，UHECR）是指能量高於1 EeV（1018電子伏特，相當約0.16焦耳）的宇宙射線，其能量遠高於其他典型宇宙射線的靜質量與能量。 
極高能宇宙射線（Extreme-energy cosmic ray，EECR）是能量超過5×1019 eV（相當約8焦耳）的UHECR。5×1019 eV這個值即所謂GZK極限，指的是長距離行進（約1.6億光年）的宇宙射線質子會因為宇宙微波背景（CMB）中光子的散射，導致能量有上限。因此，EECR不可能自早期宇宙就存在至今，而是宇宙學上較「年輕」的宇宙射線，而且因某種未知的物理過程而從本超星系團的某個位置發射出來。如果EECR不是質子，而是核子數為  的原子核，那麼GZK極限也適用該核子數，只是原子核的總能量限制前帶有  的分數。對於鐵原子核，相應的極限會是u=eV 。但是，核物理過程導致鐵原子核的極限與質子相近。其他高豐度的原子核其極限甚至更低。 
這些粒子非常稀有；在2004年至2007年之間， 皮埃爾・奧格天文臺 （PAO）初始運行時檢測到27起事件，估計它們抵達天文臺時能量超過 u=eV ，也就是說，該天文臺所調查的 3000 km2 面積之中大約每四週就發生一次這樣的事件。  
有證據顯示，這些最高能量的宇宙射線可能是鐵原子核 ，而不是構成大多數宇宙射線的質子。  
人們推定EECR的（假說性的）發射源稱為捷伐加速器（Zevatron），其命名就如同勞倫斯・柏克萊國家實驗室的貝伐加速器（Bevatron），以及費米實驗室的兆電子伏特加速器（Tevatron）一樣，所以能夠將粒子加速到1 ZeV（1021 eV，皆電子伏特）。基於星系噴流內部的衝擊波可引起粒子的擴散加速，星系噴流在2004年一度被考慮可能就是Zevatron。特別是，模型表明，附近M87星系噴流衝擊波可能將鐵原子核加速到ZeV範圍。  2007年，皮埃爾・奧格天文臺觀測到EECR與附近星系中心的河外超大質量黑洞（叫做活躍星系核）具有關聯性。 然而，隨著持續的觀察，兩者關聯性的強度變得越來越弱。雖然最新的結果顯示這些EECR中似乎只有不到40％來自AGN，其相關性比以前報道的要弱得多，但活躍星系核磁層中加速度的離心機制也可以解釋極高的能量 。 格里布（Grib）和帕夫洛夫（Pavlov）（2007，2008）的提出一個更具推測性的建議，是設想超重暗物質通過潘羅斯過程的衰變 。

**觀測史**
1962年，約翰・D・林斯利（John D Linsley）博士和利維奧・斯卡西（Livio Scarsi）博士在新墨西哥州的火山牧場實驗中首次觀察到能量超過u=eV（16 J）的宇宙射線粒子。  
從那之後，人們就觀測到具有更高能量的宇宙射線粒子。 其中包括1991年10月15日晚上，在猶他州Dugway試驗場上 ，由猶他大學的「蒼蠅眼」（Fly's eye）實驗觀察到的Oh-My-God粒子 。該次觀測結果震驚了天文物理學家 ，他們估算其能量約為u=eV（50 J） ——換句話說， 原子核的動能相當於以時速100公里（時速60英里）飛行的棒球（142克或5盎司）。

**超高能宇宙射線天文臺**

**可能的解釋**

**中子星**

**活躍星系核**
UHECR與藍移的宇宙微波背景輻射會發生相互作用，這限制了UHECR在失去能量之前可以行進的距離；這就是Greisen–Zatsepin–Kuzmin極限（GZK極限）。 

**其他可能來源**
UHECR的其他可能來源是： - 強大的電波星系的無線電波瓣（radio lobes） - 在星系形成時期產生的星系間衝擊波 - 超新星  - 相對論超新星  - 伽馬射線暴   - 拓撲缺陷產生的超大規模粒子的衰變產物，是早期宇宙相變留下的產物 - 經歷潘羅斯效應的粒子 - 先子星  

**與暗物質的關係**
根據推測，活躍星系核能將暗物質轉化為高能質子。 聖彼得堡亞歷山大・弗裡德曼理論物理實驗室的尤里・帕夫洛夫（Yuri Pavlov）和安德烈・格里布（Andrey Grib）推測，暗物質粒子的質量約為質子＝的15倍，而且它們可以分解為成對、與普通物質相互作用的較重虛粒子。  如潘羅斯過程所描述的，這些粒子之一可能靠近活躍星系核，而另一個則逃逸。 那些粒子當中有會與入射的粒子碰撞；根據帕夫洛夫的說法，這是能量非常高的碰撞，可以形成具有高能量的一般可見的質子。 帕夫洛夫又宣稱，這種過程的證據就是超高能宇宙射線粒子。  超高能宇宙射線粒子也可能是由超重暗物質「X粒子」（例如黑洞子）的衰變而產生的。   這種能量甚高的衰變產物攜帶著X粒子質量的一部分，被認為合理解釋了我們觀察到的超高能宇宙射線。 

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

**參考文獻**

**延伸閱讀**
 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

**外部連結**
  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.