高能量宇宙射线源首次被映射出来

在20世纪30年代，法国物理学家Pierre Jierre Juber沿着阿尔卑斯山的山脊放置了地冰剑，观察到它们有时会自发地点击同时，即使它们相隔300米。他知道巧合点击来自宇宙射线，从空间中的带电粒子爆入天空中的空气分子，触发雨水淋浴到地面上的粒子淋浴。但是，为宇宙射线触发了他看到的巨大淋浴的那种，他们必须携带奇妙的能量 - 这么多，他在1939年写道，“实际上是不可能想象一个能够给予一个流程粒子这样的能量。“

在构建较大的地德计数器和其他种类的探测器阵列时，物理学家了解到宇宙射线达到能量至少超过螺旋钻的时间。

原始故事通过Quanta杂志的许可转载，这是Simons基金会的一位纪念杂志，其使命是通过涵盖数学和物理和生命科学的研究发展和趋势来提高对科学的公众理解。

宇宙射线只是原子核 - 一个质子或质子和中子簇。然而，被称为“超高能源”宇宙射线的稀有稀有的人具有作为专业服务的网球的能量。它们比欧洲大型特罗龙撞机循环隧道周围的质子在欧洲的循环隧道周围的质子更高的时间更有活力。事实上，最精力充沛的宇宙射线被发现，绰号“哦 - 我的上帝的粒子”击中了1991年的天空，比如99.99999999999999999951的光速，给它大致从肩膀上掉下了保龄球的能量高度到脚趾上。 “你必须建造一个撞机，就像行星汞的轨道一样大，以加速质子的能量，”德国卡尔斯鲁河理工学院的天体物理学家拉尔芬恩格尔说，“世界上最大的宇宙”的核心师“雷天文台，阿根廷的皮埃尔·奥尔杰尔观测台。

Supernova爆炸现在被认为能够在82年前首次观察到螺旋钻的惊人精力充沛的宇宙光线。 Supernovas不能产生更加惊人的戏剧性颗粒。这些超高能量宇宙射线的起源仍然不确定。但是一系列最近的进步已经大大缩小了搜索。

在2017年，座座螺旋钻天文台宣布了一个重大发现。由于其1,600个粒子探测器和27个望远镜点缀了一系列阿根廷草原大草原的罗德岛大小，但天文台在过去13年中记录了数十万超高能量宇宙射线的空气淋浴。该团队报告说，6％的光线来自天空的一半，而不是在宇宙射线到达方向上常常检测到的第一模式。

最近，纽约大学的三位理论家为专家认为高度令人信服的不平衡提供了一个优雅的解释。新论文，陈鼎，NoémieGlobus和Glennys Farral，意味着超强强大的宇宙射线加速器普遍存在，宇宙地说，而不是罕见的。

犹他州的螺旋钻天文台和望远镜阵列也检测到天空中的小型宇宙射线“热点”，大概是附近来源的位置。某些候选物体坐在正确的位置。

更多线索已经以超高能的中微子形式到达，这是由超高能量宇宙射线产生的。最近的发现集中了解了在三个主要竞争者上搜索宇宙的超强大加速器。现在，理论家正忙着模拟这些天体物理物体，看看它们是否确实能够向我们朝我们剥夺足够快的粒子，如果是的话，如何。

这些猜测是任何数据的全新和不受约束。 “如果你去高能量，事情真的是未开发的，”Engel说。 “你真的去某个东西空白。”

要知道什么是制造超高能量宇宙射线，第一步是看到他们来自哪里。麻烦的是，因为粒子是电荷的，所以它们不会以直线行驶;他们的路径在穿过磁场时弯曲。

此外，超高能量颗粒稀有，每年只有大约一次的地球天空。识别其到达方向上的任何模式都需要从巨大的数据集中取出微妙的统计不平衡。

没有人知道在模式出现之前需要多少数据。物理学家花了几十年建造了更大的探测器阵列，而不会看到一种模式。然后在20世纪90年代初，苏格兰天体物理学家Alan Watson和美国物理学家吉姆克隆顿决定真的很大。他们开始了将成为3000平方公里的螺旋钻天文台。

最后，这就足够了。当螺旋钻队在2017年报告的时候，它在天空的两半之间检测到了6％的不平衡 - 其中一个特定方向的多余粒子在天空中平稳地转变为符合相反方向的赤字 - “即奇妙令人兴奋，“沃森说。 “我在这个领域工作了一个非常非常长的”20世纪60年代 - “，这是我们第一次有各向异性。”

但数据也是令人费解的。宇宙射线过度的方向无处可行，银河系的中心附近，支持超高能源宇宙光线来自星系外的长期假设。但它无处可去。它并不对应于一些强大的天体物理物体的位置，如邻近的星系中的超迹象黑洞。它不是处女座集群，附近的星系浓度。这只是Cancelation Canis Major附近的一个沉闷，黑暗的位置。

NoémieGlobus，然后是耶路撒冷希伯来大学的邮政编划，立即看到了解释模式的方法。她开始简化：宇宙中的每一点物质都具有产生一些少量超高能量宇宙射线的概率。然后，她如何绘制那些宇宙光线如何略微弯曲，因为它们从附近的星系，银河系和集群中被称为宇宙的大规模结构 - 以及通过间隔空间的弱磁场行进。当然，她的假装地图只是大规模结构本身的模糊图片，来自处于处女座的宇宙射线的最高浓度。

她的宇宙射线过度不在正确的位置来解释螺旋钻的数据，但她认为她知道为什么：因为她没有充分占银水磁场的磁场。 2019年，Globus搬到了NYU与Astrophysicist Glennys Farrar合作，其2012年的银河系磁场，与她一起发展，随后研究生Ronnie Jansson，仍然是最先进的。虽然没有人理解Galaxy的磁场是以塑造的方式，但弗拉尔和詹森推断出其从40,000次偏振光测量的几何形状。它们确定了磁场线沿着星系的螺旋臂顺时针和逆时针弧形，并从银河圆盘垂直涂抹，在它们上升时扭曲。

佛罗里达州的研究生学生陈鼎编写了从大规模结构的超高能源宇宙射线映射的代码，然后通过Farrar和Jansson建模的银河磁场的扭曲镜头通过了这一输入。 “除了观点，罗拉尔说：”而且没有看到这种显着的协议，“弗拉尔说。

处女座来源宇宙射线在银河系的扭曲场线中弯曲，使他们从Canis Major的方向击打我们，奥斯伯尔看到其过剩的中心。研究人员分析了结果模式如何改变不同能量的宇宙射线。它们一直发现与螺旋钻数据的不同子集进行了密切的匹配。

超高能源宇宙射线的起源的研究人员的“连续模型”是一种简化 - 每条物质都不会发出超高能量宇宙射线。但它引人注目的成功揭示了光线的实际来源是丰富的，在所有物质中均匀地蔓延，追踪大规模的结构。该研究将出现在天体物理学杂志上，已经获得了广泛赞誉。 “这真是一个很棒的一步，”沃森说。

立即，某些股票已经上升：特别是三种类型的候选物体，这些候选物体在宇宙中螺纹相对常见，但可能足够特别，以产生OH-我的神颗粒。

2008年，美罗拉尔和同志队建议称为潮汐中断事件（TDES）的大灾害可能是超高能源宇宙射线的来源。

当一颗星拉动伊卡鲁斯并过于靠近超脚本的黑洞时，就会发生TDE。这颗明星的前面比重力更加重力，而不是它的恒星被撕成了史密斯，并进入深渊。旋转持续一年。虽然它持续了两种材料 - 从黑洞沿相反方向的黑洞中破碎的星射出来的亚孔碎片。然后，这些梁中的冲击波和磁场可以在将它们切入空间之前加速核来加速核来加速核。

潮汐中断事件大致每10万年发生一次，每个星系都是宇宙学相当于随处发生的宇宙学相同。由于星系追踪问题分布，TDE可以解释丁，Globus和Farrar的连续模型的成功。

此外，TDE的相对简短的闪光解决了其他难题。当TDE的宇宙射线到达我们时，TDE将在数千年来暗淡。来自同一TDE的其他宇宙射线可能采用单独的弯曲路径;有些人可能不会到达几个世纪。 TDE的瞬态性质可以解释为什么宇宙射线到达方向的模式似乎很少，与已知物体的位置没有强烈的相关性。 “我现在倾向于相信他们是瞬态，主要是”佛罗里达州的起源“。

TDE假设最近得到了另一个提升，从2月份在自然天文学中报告的观察开始。

罗伯特·斯坦因纸的作者之一，在2019年10月在2019年10月在加利福尼亚州的望远镜经营着Zwicky瞬态工厂，当警报来自南极洲的iceCube Neutrino天文台。 ICecube发现了一个特别有精力的中微子。当甚至高能量的宇宙射线散射光线或在它们所创建的环境中时，产生高能的中微子。幸运的是，中微子，中立，直线向我们前往我们，因此它们直接返回父母宇宙射线的来源。

Stein在冰区中微子的到来方向上旋转望远镜。 “我们立即看到了中微子抵达的位置的潮气中断事件，”他说。

该信件使TDE更有可能是超高能量宇宙射线的至少一个来源。然而，中微子的能量可能太低，不能证明TDES产生非常最高的能量射线。一些研究人员强烈质疑这些瞬态是否可以将核加速到观察到的能谱的极端;理论家仍在探索事件如何首先加速粒子。

宇宙射线观测器，如螺旋钻和望远镜阵列也发现了一些在最高能量宇宙射线的到达方向上的几个热点微妙的浓度。 2018年，奥伯队将其热点与天体物理物品的位置进行比较的结果，在这里几亿光年。 （从越来越远的宇宙射线会在中途冲突中失去太多能量。）

在互相关竞赛中，给出了偏转宇宙射线体验的情况下，没有良好的物体类型的物体。但最强烈的相关性惊讶许多专家：大约10％的光线来自所谓的“爆发星系的爆发星系”的指示范围内。 “他们原本不是在我的盘子里，”雅克尔鲁赫理工学院的迈克尔·奥格尔·奥伯队的一名成员。

没有人比纽约城市大学雷曼学院的天体物理学家Luis Aschordoqui更激动人心，他提出了Starburst Galaxies 1999年的超高能源宇宙光线的起源。“我可以偏向这些东西，因为我是一个提出该模型现在数据指向的模型，“他说。

Starburst Galaxies不断制造大量巨大的恒星。巨大的恒星在超新星爆炸中快速而不是愚蠢，Achordoqui辩称，由所有超新星的集体冲击波形成的“超潮”是将宇宙射线加速到我们检测到的思想令人难以置信的速度。

不是每个人都确信这种机制会起作用。 “问题是：那些冲击有多快？” Heidelberg大学的天体物理学家弗兰克里格说。 “我应该指望那些去最高能量吗？目前我怀疑它。“

其他研究人员认为，Starburst星系中的物体可能是宇宙射线加速器，并且互相关研究只是在拾取大量这些其他物体。 “作为一个认为瞬态事件作为自然来源的人，那些在爆炸星系中非常丰富，所以我没有麻烦，”弗拉尔说。

在互相关研究中，另一种物体几乎执行但不太相似，不如星空星系：称为活跃的银核，或AGN的物体。

AGN是“活跃”星系的白热中心，其中等离子吞噬了中央超级分类黑洞。黑洞在射出巨大，长持久的喷气机的同时吸引等离子体。

特别明亮的子集的高功率成员称为“无线电”AGNS是宇宙中最发光的持久对象，因此它们长期以来一直是超高能宇宙射线源的领先候选者。

然而，这些强大的无线电响亮的AGNS在宇宙中过于罕见，可以通过丁，Globus和Farrar测试：它们可能是大规模结构的示踪剂。事实上，在我们的宇宙邻居内，几乎没有。 “他们是很好的来源，但不是在我们的后院，”Rieger说。

不太强大的无线电响亮的AGN更常见，可能类似于连续模型。例如，Centaurus A，最近的无线电响亮的AGN，位于螺旋钻天文台最突出的热点。 （也是星际星系。）

长期以来，Rieger和其他专家认真地努力获得低功耗AGN，以加速质子到哦 - 我的神粒子水平。但最近的发现使他们带来了“在比赛中，”他说。

天体物理学家长期以来，大约90％的宇宙射线是质子（即氢核）;另外9％是氦核。光线可以是较重的核，例如氧气甚至铁，但专家长度假设这些将通过加速超高能量宇宙射线所需的暴力过程来撕裂。

然后，在2010年代初的令人惊讶的发现中，螺旋钻天文台科学家推断出从空气淋浴的形状推断出超高能量射线大多是碳，氮和硅等中间核心。这些核将在以较低速度行驶的同时达到与质子相同的能量。反过来，这使得更容易想象任何候选宇宙加速器如何工作。

例如，Rieger已经确定了一种机制，该机制可以允许低功率AGN加速较重的宇宙射线到超高能量：粒子可以在AGN的喷射器中从侧面漂移，每次重新排序流动最快的部分。 “在这种情况下，他们发现他们可以用低功率的无线电来源做到这一点，”Rieger说。 “我们的后院会更多。”

另一篇论文探索了潮汐中断事件是否自然地产生中核。 “答案是，如果被扰乱的星星是白矮星的星星，可能会发生，”亚利桑那州立大学的天体物理学家Cecilia Lunardini表示，他共同撰写本文。 “白矮星具有这种组成碳，氮。”当然，TDES可能发生在任何“不幸的明星”中，Lunardini说。 “但是有很多白矮星，所以我没有看到这一点非常重要。”

研究人员继续探讨最高能量宇宙射线在沉重方面的影响。但他们可以同意这是如何更容易加速他们的问题。 “较高能量的重型构图更加放松更多，”Rieger说。

由于候选加速器的简短清单结晶，对正确答案的搜索将继续通过新的观察来领导。每个人都对Augerprime，一个升级的天文台兴奋;从今年晚些时候开始，它将识别每个宇宙射线事件的组成，而不是估计整体组成。这样，研究人员可以将质子隔离，在地球的路上最少地偏转，并回顾他们的到达方向以识别个人来源。 （这些来源也可能产生较重的核。）

许多专家怀疑源的混合可能有助于超高能量宇宙射线光谱。但它们通常期望一个源类型占主导地位，只有一个才能达到频谱的极端结束。 “我的钱是它只是一个，”诺干说。

编者注：NoémieGlobus目前与捷克共和国的Eli Beamlines隶属于纽约的Flatiron Institute。 Flatiron Institute由Simons Foundation资助，该基金会还资助这册独立杂志。与Simons Foundation的隶属关系没有覆盖范围。

原始故事通过Quanta杂志的许可转载，这是Simons基金会的一位纪念杂志，其使命是通过涵盖数学和物理和生命科学的研究发展和趋势来提高对科学的公众理解。 🏃🏽♀️希望最好的工具健康？ 查看我们的齿轮队的选择，以获得最佳健身跟踪器，运行齿轮（包括鞋子和袜子）和最好的耳机