中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第18部分
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核）、中等粒子（如碳或氧核）和重粒子（例如铁核）。根据簇射在大气中达到最大尺度穿过的大气深度就能取得这个分类结果。从前已经提到，重初级粒子引发的簇射展开得十分快，与质子簇射比较起来，达到最大尺度时进入大气较浅。如果你考虑到铁核是56个质子和中子紧紧捆绑在一起的重颗粒，它的行为就很容易理解了。当一颗携带着能量E的宇宙射线铁粒子进入大气与一个空气分子发生碰撞时，56个质子和中子就从碰撞火球中立即释放出来。每个粒子带去约E/56大小的一份能量，随后每个粒子又都引发一个次级簇射。每个次级簇射只分到初始能量的一小部分，展开得十分快，全部空气簇射是这些次级簇射的总和。对比来看，携带能量E的质子，在引发单簇射后达到最大尺度须经过较长时间。就这样，立体蝇眼阵列根据〃最大尺度的深度〃为簇射作了分类。据此，犹他科学家找到了簇射粒子能量与能谱踝形曲线部分的相关性。
这个成果于1993年发表在很有声望的科学期刊《物理学评论通讯》上，引起了天体物理学领域许多人的关注。犹他州研究组还发现，宇宙射线粒子的典型质量随着能量由10^18eV左右的较低能量增大到10^19eV的较高能量而变化，这个变化是逐步的。在较低能量处重粒子（像铁核）有显著的百分比，而逐步变化到在最高能量处轻粒子（主要是质子）成为主要组成。宇宙射线质量的这一变化发生在能谱的踝形处这同一能量区上其意义导至许多推测。犹他州研究组提出一个非常简单的解释。基本想法是，宇宙射线射来的低能部分起源于我们银河系以内，高能部分来自银河系以外。两种起源很像是提供了两种不同的组成，各自会有自己与另一个不一样的能谱形状。陡峭的低能量能谱直接加上较平坦的银河系外起源的宇宙射线能谱就得到观测到的有着踝形特征的合成曲线图。因为质子能够很好地胜任在星系际空间遥远距离上的旅行，所以在模型中粒子射来的高能部分看到以质子占优势是很合理的。像铁核这样的重宇宙射线粒子可能就是那些较远的星系产生的，但是它们较容易与充满整个空间的星光光子通过碰撞分裂成碎片（最终分裂成质子和中子）。
这个简单的理论，对最高能量宇宙射线的能谱和质量特性给出一定的解释，对于它们到达方向的均匀性也说得通。我们心中有了这幅图像就不再期望银河系平面是宇宙射线的主要到达方向了。尽管绝大部分较低能量的重粒子是我们星系中产生的，它们在穿过星系磁场时其路径也严重扭曲了（比质子所带电荷多26倍的铁核，通过复杂的星系磁场时也形成了弯曲复杂的路径，很容易出现从其发射源相反的方向到达地球的情况，甚至比10^18eV能量还高的粒子也会发生这种情况）。在最高能量上，质子宇宙射线不是在银河系中起源的，所以到达方向不是银河系。该模型假定银河系外宇宙射线源是均匀分布的，于是最高能量宇宙射线的到达方向也是均匀分布的。这里并没有指明那些银河系外宇宙射线源的本性或能谱中较低能量处的我们星系中宇宙射线源的本性。但作为出发点，因为同所取得的各种观测实验结果符合得很好，所以这个简单的图像极为诱人。
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□ ＇澳＇罗杰·柯莱等/著 车宝印/译
第八章 最高能宇宙射线和蝇眼（二）
巨星系与极小的自旋恒星
这个宇宙射线起源模型假定，既有银河系宇宙射线源也有银河系外星系宇宙射线源，但没有提出任何理由！至今没有人提出使人信服的解释，说明恒星、脉冲星、黑洞或整个星系，如何能把粒子加速到观测到的宇宙射线最高能量。我们知道，能够对粒子加速的源必须具备某些条件，但是看来候选源似乎都不能完全满足这些要求。这听起来像是对宇宙射线科研界的过分责备。不过许多人认识到，这儿正是吸引人们去努力追求的最迷人领域之一。宇宙射线天体物理学家相信，他们正处在即将揭露某些意料不到的惊人事物的边缘！诺贝尔奖获得者物理学家理查德·费曼1973年评论说：……在每件事物都被包装得完美无缺……所有实验都相互严格一致，并与理论符合时……人们将学不到任何东西！而另一方向，当实验之间矛盾重重——或者当观测结果按传统观念不可理解，或者当所有模型似乎都没有效果时……人们实际上正在前进，一次突破就在跟前等待着人们！
费曼说的是以实验室为基地的粒子物理学，但他的言论确实对处于最高能宇宙射线境况下的人们给予启示。
带电粒子的加速既需要磁场也需要电场。在天文环境中电场可能是由于某种方式的电荷分离产生的。如果由于什么原因，在一大块体积范围内，全部正电荷和负电荷分离开来，就产生了巨大的电势差（或电压），于是形成了强大的电场。这时带正电荷的云所释放的质子被带负电荷的云的强大引力所吸引，于是粒子被加速而获得很大的能量。不过，不存在电场的话，从道理来说，磁场也能使粒子加速。
我们早已知道，磁场能对带电粒子的运动路径产生作用。如果磁场足够强，其实际作用结果有如一面反射镜，能使粒子完全改变方向。粒子物理学先驱物理学家恩里科·费米（EnricoFermi）在宇宙射线加速方向曾首先提出过一个比较旧但很受重视的想法，似乎能用在包含运动磁场的空间区域。假如一颗宇宙射线粒子被接近中的磁场区反射出去，它将从运动磁场区获得一些能量，从而使速度增加。每一次反射粒子只能积累很少一点能量，所以加速过程极度缓慢。一颗宇宙射线粒子必须在一个运动的磁场泡泡区域中反复弹跳几百万年才能得到足够多的能量。看来似乎是只要时间充分长，宇宙射线就能通过这种费米过程得到任意大的能量。遗憾的是这个过程会突然中止。当粒子能量大到某个量值时，它将不再由磁反射镜反弹出去，无论在什么情况下，最后都会到达这一时刻。这时，粒子会切穿磁势垒，结束这个加速过程。当然这要取决于磁场的强度和尺度。假如在充分大的体积内充满了磁场，则甚至高能粒子最终还是被偏转返回，可能加速过程还得继续下去。
某个具体天文环境是不是宇宙射线经受费米过程加速的适宜场所有一个理论指标，这个指标是平均磁场强度与该区域整体尺度的数字乘积。科学的说法就是，假定平均磁场强度为B，磁场区的直径为D，则B×D的最小值就表征着粒子能被加速达到的具体能量。如果B值很大，或D值很大，或者二者都很大，则能达到充分大的乘积。在所有这些情况下，宇宙射线粒子都会在磁场区逗留充分长的时间，直到加速达到那样巨大的能量。
关于这个B×D规律，首先要说明的是它是费米加速过程的绝对最小能量要求。乘积达不到这个最小值，这一场所就不符合加速过程的要求。特别是要获得较大B×D值，就需要磁场按某种方式运动，而且运动得越快越好。与快速运动的磁场泡碰撞将有更多的能量转移到宇宙射线粒子上。关于能量达到10^20eV的宇宙射线粒子的可能加速场所我们知道些什么？请记住，已经知道这类粒子确实存在，从而它们必定有其被加速的场所。事实是，宇宙间实际上不可能找到能让质子加速到这个必须的BD乘积能量值的场所，即便假定该磁场的运动速度接近光速也还是不行！这就是此时此刻这个理论碰上的根本问题。有两种类型的天体处于有可能担当这个加速场所角色的范围内，其实也都是勉强的解释！一种天体可以从银河系中找到，而另一种天体在银河系外更远的地方。
脉冲星是具有极大磁场的天体样本之一，其磁场要比太阳周围的磁场强大一万亿倍。尽管它们是一种体积奇小的天体（直径只有30千米），但它的BD乘积仍然足够大，使它当之无愧地挤进了可以考虑的10^20eV高能宇宙射线加速场所之内。加速机制确实并不清楚。在宇宙射线从这个狭小的环境逃掉之前，整个加速过程一定是非常快的。无论怎样，脉冲星的磁场（和电场）出奇的强大。在其中存在着特定的加速过程，这至少是可以接受的！
另一个仅有的合理候选源与脉冲星也不会有太大的区别，它由活动星系喷流中的射电热斑构成。这些区域的磁场较弱，其巨大的BD乘积主要是由这种场所的巨大尺度造成的，其尺度之大起码和正常星系差不多。在这里，加速过程可能是一件从容不迫的事情。伴随着宇宙射线粒子与快速运动的磁场间的无规律偶然碰撞，它们被困在这种巨大容器之中会长达几百万年。已经观测到有大量物质从活动星系的喷流中以极高的速度喷射出来的证据。沿着高速喷射的物质同时存在着它携带的磁场，这正好是费米机制所要求的组成条件。射电热斑很可能是某种磁节点或喷流中的不规则性。热斑显示出是喷流中非常活跃的地方，已证实了电子在热斑中能被加速到几百万电子伏的能量。强烈的射电波辐射活动就是高能电子在节点中螺旋状环绕扭曲的磁力线时产生辐射能量的现象。热斑确实是个极其强大的区域，但它足以强大到能把质子加速到比电子能量高100万亿倍的极高能量吗？
答案须深入细节去寻找——不规则性磁场的速度、连续磁场的均匀性以及该区域的尺度。似乎上述这些地点就是最高能量宇宙射线的主要争夺者。射电热斑和脉冲星二者从理论上看都可能入选，但是因为射电热斑在重要参量的数值上允许有更大变动余地，所以理论家们更倾向于射电热斑。我们对射电热斑所知道的要比对脉冲星知道的少得多，所以容易编造理由把射电热斑当成最高能量宇宙射线源！真是不凑巧，没有碰到既具有射电热斑的尺度又具有脉冲星的磁场强度的空间区域。这种二者兼备的区域准能把粒子加速到超过观测到的最高能量粒子的能量！这种区域或许在什么地方肯定存在着？天体物理学教给我们的经验是，说〃不可能〃是要担风险的！
神秘的CygX^3（天鹅座X3）
虽然看来脉冲星不像是把宇宙射线加速到最高能量粒子的场所，但却很可能是加速到10^18eV能量的较好场所。在这个研究范围，看起来已经取得一些实验证据，它们大多是由蝇眼实验和AGASA阵列揭示出来的。这与叫做CygX^3（天鹅座X^3）的银河系X射线星有关联。这个天体是在天鹅星座中发现的第三个X射线源，是在1966年用火箭观测发现的。其后1970年乌乎鲁（Uhuru）卫星（NASAX射线观测卫星，以斯瓦西里文的一个单词命名，意思是〃自由〃）的观测显示，来自这个天体的X射线信号，也和来自另外一些X射线源的信号类似，有周期性变化。这种周期变化现象向人们提示，CygX^3不是一颗单一的恒星，而是两颗星在作相互轨道绕行。天文学家们认为，其中一颗是中子星，它的强大引力正把另外那颗主序星伴星大气中的物质剥夺过来。被吸引过来的气体明显地汇聚成环绕着致密中子星的一个盘状物。摩擦使得气体被加热，于是产生了X射线。随着巨大伴星围绕着中子星每48小时在轨道上转一圈，就出现周期性地把X射线源挡住的现象。于是X射线强度随之出现周期性的强弱变化。像CygX^3这种射线双星是一类稀有天体，在银河系和最近的星系（大、小麦哲伦云）中，总共只发现了十几颗这样的天体。在高能天体物理学领域，这类天体属于在全波段上研究得最多的某些天体之一，其辐射能量范围从射电波直到X射线甚至更高。
CygX^3是观测到还发射γ射线的少数这种辐射源之一。但令人遗憾的是，由于信号水平很低，观测结果的确实性并不明显。如果γ射线的观测结果确实无误，就能帮助解决有关宇宙射线产生的某些秘密。我们从前面的第七章得知，在20世纪80年代早期采用地面阵列对CygX^3进行的观测，看来表明这个源正在发射10^15eV能量的γ射线。在X射线双星系统中产生γ射线的最有希望的各个模型都提到，γ射线的发射实际上是宇宙射线加速的副产品。宇宙射线是在强磁场和强电场的典型环境中产生的，随着该系统中新的供能粒子的存在就会释放γ射线。当宇宙射线与伴星大气中的气体核发生碰撞时，产生微小簇射，γ射线就是那些级联中的一部分。1984年，里兹大学的希拉斯考察了来自CygX^3的γ射线信号。从这些数值反向推算，他指出单独CygX^3一个天体就能承担起银河系中全部观测到的宇宙射线粒子的加速任务！而且所有粒子的能量都能至少达到10^１６eV。这是一个令人吃惊的思想。凭借这个想法，人们可以争得经费，建造越来越大的地面阵列，以便用更高的灵敏度对CygX^3进行观测研究。你可能已经想起来，遗憾的是这些阵列刚建造好，CygX^3就熄灭了！至今仍未停止关于该发射源是否真正发射过γ射线的争论。但我们知道，它在其他电磁能谱区的辐射也是分散的，所以许多人认为在发射γ射线上，它也是个特例。
1986年，是CygX^3歇斯底里大发作的时期，蝇眼研究组的两个成员杰里·艾尔伯特（Jerry Elbert）和保罗·索末尔斯（Paul Sommers）当年对检测器获得的簇射到达方向的资料进行了考查。他们在分析中把蝇眼取得的全部宇宙射线到达方向的数据都绘制在天球图上。最后完成了一张天空不同部位所到达宇宙射线分布密度的彩色图。横跨天空彩图最大的变化是由所谓曝光效应造成的。天球的某些部分每天通过犹他州阵列的视野，但也有些天空部分蝇眼检测器不易接近。例如，银河系中心的天空位置只能从南半球观测，当艾尔伯特和索末尔斯把曝光效应改正之后，他们发现，在天球图上相当于宇宙射线到达方向最密集位置的最明亮点，落在了CygX^3的方向上！
这能说明宇宙射线是CygX^3发射的吗？经过
