宇宙中最强大的宇宙射线或许终于能得到解释了

在我们的银河系某个地方，存在着能够将原子碎片加速到接近光速的引擎。 恒星的爆炸死亡似乎是寻找这些高能宇宙“子弹”来源的一个合理之处，然而，对于那些能量最强的粒子，研究人员一直心存疑虑。

一个由物理学家组成的小型国际团队进行的数值模拟，或许能够挽救关于宇宙射线在最高能量下发射的超新星理论，这表明在恒星坍缩的短暂时期内，它仍有可能成为宇宙中最极端的加速器。 一个多世纪以来，科学家们一直在扫描天空，寻找可能导致持续不断地冲击地球的原子核以及偶尔出现的电子“阵雨”的现象。 仅仅追踪它们的轨迹，就如同在海滩上捡起一个瓶子，然后望向地平线寻找它的出处一样。大多数宇宙射线带有电荷，这使得它们会受到银河系及更远处混乱磁场的影响，这让研究人员只能去寻找其他线索。 在距离我们仅有几千光年的银河系“后院”，有一颗历史上著名的超新星——第谷超新星，科学家们一直在研究它是否具备加速带电粒子的物理迹象。

1572年，天文学家们惊叹于这颗恒星的突然变亮，现在我们知道这是一颗白矮星在热核灾难中结束生命的最后爆发。当它的核心在自身引力作用下坍缩时，热量和辐射的爆发冲击到周围的气体壳层，产生了巨大的磁场。

2023年，研究人员发表了他们对这些磁场的分析，发现其产生宇宙射线的能力比现有模型预期的“显著要小”。 虽然这并没有排除坍缩恒星作为潜在粒子加速器的可能性，但确实引发了关于它们究竟能提供多大能量的疑问。 时不时地，地球会受到一些真正“怪物”的撞击——这些粒子的能量比我们人类技术所能产生的任何粒子高出一千倍。这些拍电子伏特（PeV）能量是被称为PeVatrons的假设性宇宙引擎的杰作。 根据德国波茨坦大学的天体物理学家罗伯特·布罗斯、西班牙能源、环境与技术研究中心的尤里·苏什以及都柏林高等研究院的乔纳森·麦基的说法，濒临死亡的恒星可能正是科学家们一直在寻找的神秘PeVatrons。 要实现这一点，濒死恒星首先需要喷出足够的物质，在自身周围形成一个致密的壳层。然后，在超新星爆发的那一刻，迅速膨胀的激波撞击这个致密环境，产生必要的磁湍动，将原子核和电子加速到PeV级别。 他们声称，关键因素是时间——只有在最初的一二十年里，周围的壳层才足够致密，能够提供粒子达到最高能量所需的湍动程度。 “只有在致密环境中演化的非常年轻的超新星遗迹，才有可能满足将粒子加速到PeV能量所需的条件，”研究团队写道。 如果第谷超新星再“憋一口气”，多存在几个世纪，天体物理学家可能就会记录到最高量级的宇宙射线“阵雨”。 也许在不久的将来，另一颗邻近恒星的剧烈死亡，会给我们提供一个机会，让我们彻底解开PeVatrons这个令人困惑的谜团。 这项研究已被《天文学与天体物理学》杂志接受发表。