自宇宙線被發現以來，已經過去了一百多年。但是宇宙線粒子是如何加速的呢？它的起源對象是什麼？仍然沒有明确的答案。"宇宙線的起源及其加速機制"是美國國家科委2004年研究确定的新世紀科學研究的11個"世紀難題"之一。
什麼是宇宙線？
1912年，奧地利實體學家維克多·赫斯（Victor F. Hess）乘坐熱氣球升空到5000多米的高度，測量輻射電離率與高度的關系。他發現，在1公裡以上的高度，輻射電離率顯着增加，在海拔5公裡的高度比地面高出幾倍，進而确定電離是來自地球外部的高度穿透性射線，後來被命名為"宇宙射線"或"宇宙線"。赫斯還因這一發現在1936年獲得了諾貝爾實體學獎。
宇宙射線是從地球上太空探測到的高能粒子總數，質子約占90%，氦核占9%，其他重能輻射如電子、電子、光子等。宇宙線的能量範圍非常寬，跨越11個數量級。1991年10月15日，猶他大學的高分辨率宇宙粒子探測器探測到人類已知的最強大的宇宙線粒子，綽号"哦，我的上帝粒子"。它的能量是300EeV（3×10 20eV，文字中斜體，這裡是20個正方形中的10個），當與其他原子核發生無彈性碰撞時，這個能量比人造大型強子對撞機LHC所能提供的最大碰撞能量高出50倍以上！[1]
宇宙線是太陽系外唯一可以在地球上探測到的物質樣本，它來自宇宙深處，蘊含着宇宙起源、天體演化等豐富資訊，是宇宙的重要"信使"。
宇宙線從何而來？
由于大多數宇宙線粒子在行進地球時受到太空磁場影響的運動方向的帶電和偏轉，是以很難通過觀察它們的到達方向來追蹤它們的起源。但高能粒子可以通過與磁場和星際媒體的互相作用來産生非恒定輻射，例如電磁輻射和中微子，我們可以通過觀察它們來間接追蹤它們的起源。太陽和其他恒星表面的高能活動，超新星噴發，脈沖星，類星體和活躍的星系核都可能是宇宙來源。根據從近到遠的區域，宇宙線可以大緻分為太陽宇宙線，銀河系宇宙線和外通道高能宇宙線，它們相應的能量正在逐漸增加。
太陽是離我們最近的宇宙線的來源，太陽宇宙線是太陽活動産生的高能粒子流，能量水準低，通常不超過1010eV。
能量大于1013eV宇宙線能譜。宇宙線的流動随着能量的增加而迅速減少，這個能量譜可以用功率譜表示，近似于随行人員坐标處的直線。在1015-1016eV附近陡峭，稱為膝蓋，在1018-1019 eV處變平被稱為"腳踝"，然後在1017eV附近陡峭，稱為第二"膝蓋區"（第二膝蓋）。|資料來源：參考資料
當來自不同種類高能物體的宇宙線到達地球時，它們出現在宇宙線能量譜的不同部分。一般認為，能量低于"腳踝區域"（能量1018至1019 eV）的宇宙線可能起源于銀河系，而"腳踝區域"上方的宇宙線主要來自河外的高能天體來源。
激波浪湧的超新星遺迹被廣泛認為是銀河系中宇宙線加速的主要來源。
On： 仙後座超新星仍|圖檔：https://chandra.harvard.edu
下圖：脈沖星示意圖|圖檔：https://en.wikipedia.org
1934年，巴德（W. Baade和Zwicky（F. Zwicky）首次提出超新星噴發是産生宇宙線的主要物體。超新星噴發噴射出大量的前恒星物質，形成超新星遺迹。觀測表明，這些超新星遺迹通常具有強烈的磁場并攜帶巨大的動能，本身就是天然的加速器。超新星遺迹平均攜帶1051erg的動能，相當于太陽在其生命周期（約100億年）過程中釋放的總能量，通過将10%的能量轉化為高能粒子，它保持了目前觀測到的宇宙射線的能量密度。[3]
Shiras（A.M. Hillas）系統分析了各種天體加速度粒子所能達到的最大能量，得出粒子被加速到的最大能量主要與加速度區的大小和磁場的強度有關，這被稱為希拉斯條件。超新星遺迹很可能有能力将宇宙線加速到1015-1018eV。在過去十年左右的時間裡，科學家們分析了費米衛星對幾顆超新星殘骸的觀測，發現了超新星遺迹的沖擊波可以加速高能核的直接證據。[4] [5]
各種天體的特征大小和磁場，以及最高的能量|他們可以加速的粒子 來源：參考。
宇宙線加速機制
至于高能帶電粒子加速的實體機理，恩裡科·費米于1949年首次提出了著名的費米加速度機理。他指出，帶電粒子可以通過在彼此靠近的兩個磁雲之間來回散射來增加能量。這種機制後來擴充到由移動磁場散射的帶電粒子的加速。超新星噴發産生的高速沖擊波可以為帶電粒子的加速提供所需的運動磁場環境。後來，費米加速機理被應用到沖擊波環境中，發展成為"擴散沖擊加速度"（DSA）的定量理論。該理論預測，當有足夠的加速粒子影響沖擊波的結構時，沖擊波下遊的高能粒子的密度與能量的平方成反比。然而，這個簡單的理論預測并不能解釋宇宙線和超新星遺骸的許多觀測特征。更複雜的粒子加速模型正在開發中，以解釋超新星遺迹和宇宙線的觀測。[7]
|四川省稻城海子山上正在建設的高空宇宙線觀測站（LHAASO）來源：網絡
在觀測方面，位于四川省賴斯市建設的國家主要科學基礎設施高空宇宙線觀測站（LHAASO）将對高能宇宙射線和伽馬射線進行更高精度的測量，這将有助于我們解決宇宙線的起源等問題。
資源
[1] 史蒂夫·納利希。Oh-My-God粒子.今日宇宙，2016-6-13
[2] Patrignani C，Particle Data Group。粒子實體學綜述[J].中國實體 C，2016，40（10）：100001
劉思明.銀河系宇宙線超新星遺迹起源的理論。現代實體知識， 2019， （2）： 3-8
[4] Ginger Pinholster（2013年2月13日）。"有證據表明，宇宙射線來自爆炸的恒星"。
[5] 阿克曼·檢測超新星遺迹中的特征性皮離子衰變特征。科學 ，2013，339：807
[6] 費德裡科·弗拉舍蒂.關于超高能宇宙射線的加速。英國皇家學會哲學學報 A-數學 實體與工程科學，2008，366（1884）：4417-4428
[7] 斯特凡諾·加比奇，卡梅隆·埃沃利，丹尼爾·加傑羅，保羅·利帕裡，菲利普·默奇，埃琳娜·奧蘭多，安德魯·斯特朗，安德烈亞·維蒂諾。銀河宇宙射線的起源：對标準範式的挑戰"。國際現代實體學雜志D， （2019） 1930022
作者介紹
彭偉：長安大學，2018年大學。在中國科學院紫金山天文台實習，導師：劉思明。
主編：毛瑞清
稽核：劉思明
輪值編輯：紀江輝
編輯：王克超、高娜
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