超高能宇宙射線

在粒子天文物理中，**超高能宇宙射線**（英語：**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**（英語：**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 $A$ 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 $1/A$ 的分數。對於鐵原子核，相應的極限會是 2.8×1021 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・奧格天文台 （PAO）初始運行時檢測到 27 起事件，估計它們抵達天文台時能量超過 5.7×1019 eV ，也就是說，該天文台所調查的 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・奧格天文台觀測到 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，其相關性比以前報導的要弱得多，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 1.0×1020 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 ，他們估算其能量約無 3.2×1020 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台

## 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・弗里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

* Elbert, J. W.; Sommers, P. In search of a source for the 320 EeV Fly's Eye cosmic ray. The Astrophysical Journal. 1995, **441** (1): 151–161. Bibcode:1995ApJ...441..151E. arXiv:astro-ph/9410069 . doi:10.1086/175345.
* Clay, R.; Dawson, B. Cosmic Bullets: High Energy Particles in Astrophysics. Perseus Books. 1997. ISBN 978-0-7382-0139-9.
* Seife, C. Fly's Eye Spies Highs in Cosmic Rays' Demise. Science. 2000, **288** (5469): 1147–1149. PMID 10841723. doi:10.1126/science.288.5469.1147a.
* The Pierre Auger Collaboration; Abreu; Aglietta; Aguirre; Allard; Allekotte; Allen; Allison; Alvarez. Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects. Science. 2007, **318** (5852): 938–943. Bibcode:2007Sci...318..938P. PMID 17991855. arXiv:0711.2256 . doi:10.1126/science.1151124.  引文格式 1 維護：顯示－作者 (link)

## 外部連結

* The Highest Energy Particle Ever Recorded（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館） The details of the event from the official site of the Fly's Eye detector.
* John Walker's lively analysis of the 1991 event（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）, published in 1994
* _Origin of energetic space particles pinpointed（頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）_ , by Mark Peplow for news@nature.com, published January 13, 2005.