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新理论揭示了极端能量空间粒子的统一起源

发布于:2018-05-15   

这张照片展示了来自超大质量黑洞强大射流加速的巨大宇宙射线的“多信使”辐射。信用:Kanoko Horio

新模型将超高能中微子,超高能宇宙射线和高能伽马射线的起源与嵌入其环境中的黑洞射流联系起来。

astroparticle物理学最大的奥秘之一是超高能宇宙射线,非常高能的中微子和高能伽马射线的起源。现在,一个新的理论模型表明,在宇宙射线被来自超大质量黑洞的强大射流加速之后,它们都可能被射入太空。

该模型同时解释了所有三种类型的“宇宙信使”粒子的自然起源,并且是基于详细数值计算的第一种类型的天体物理模型。由宾夕法尼亚州立大学和马里兰大学科学家共同制作的科学论文将在2018年1月22日的自然物理学期刊网站上发布为在线高级出版物。

“我们的模型显示了一种方法来理解为什么这三种类型的宇宙信使粒子为宇宙输入的功率输入量惊人地相似,尽管事实上它们被天基和地面探测器观测到的超过10个数量级个别的粒子能量,“宾夕法尼亚州立大学物理学和天文学和天体物理学助理教授Kohta Murase说。 “超高能中微子,超高能宇宙射线和高能伽马射线的测量强度大致相当,这一事实诱使我们想知道这些能量极高的粒子是否具有某些物理连接。新模型表明,非常高能的中微子和高能伽马射线是通过粒子碰撞自然产生的宇宙射线的子粒子,因此可以继承其母体粒子的可比较的能量收支。它表明,三位宇宙使者的相似能量可能并不仅仅是巧合。“

超高能宇宙射线是宇宙中能量最高的粒子 - 它们每个都携带的能量太高,即使是世界上最强大的粒子加速器 - 大型强子对撞机也无法产生。中微子是很难与物质相互作用的神秘和幽灵般的粒子。已经在南极洲的冰立方中微子天文台发现了能量超过100万兆电子伏的非常高能的中微子。伽玛射线具有已知最高的电磁能量 - 费米伽玛射线空间望远镜和其他地面天文台已观测到能量超过可见光光子10亿倍以上的电磁能。 Murase说:“将这三种宇宙使者的所有信息结合起来是相辅相成的,近年来这种多信使方法变得非常强大。

Murase和这篇新论文的第一作者,马里兰大学博士后研究员柯方试图解释来自高能中微子,超高能宇宙射线和高能γ射线的最新多信息数据,基于单一但实际的天体物理学设置。他们发现通过使用数值模拟分析这些带电粒子的命运可以很好地解释多信使数据。

“在我们的模型中,由强大的活动星系核子射流加速的宇宙射线通过射流末端经常出现的射电波瓣逃逸,”方说。 “然后我们计算宇宙射线在星系团和团体内部的环境磁场中的传播和相互作用。我们进一步模拟宇宙射线在源和地球之间的星系间磁场中的传播和相互作用。最后,我们整合宇宙中所有来源的贡献。“

在宇宙中最高能宇宙粒子起源半个世纪以前的奥秘中,主要的嫌疑人是在称为“活动星系核”的星系中,它在中央超大质量黑洞周围有一个超辐射的核心区域。一些活跃的星系核伴随着强大的相对论性喷气机。由射流或其环境产生的高能宇宙粒子以几乎与光速一样快的速度射向太空。

“我们的工作表明,从活动星系核及其环境中逸出的超高能宇宙射线如星系团和团体可以解释超高能宇宙射线谱和成分。它也可以解释地面实验发现的一些不明原因现象,“方说。 “同时,能量超过1亿兆电子伏特的高能中微子谱可以通过宇宙射线与星系团和团体中的气体之间的粒子碰撞来解释。此外,来自星系团和星系间空间的相关伽马射线发射与弥散高能伽马射线背景中与原型银核活动无关的不明原因部分相匹配。“

“这个模型为进一步试图建立一个大统一模型铺平了道路,这三个宇宙信使如何通过同一类天体物理来源和高能中微子和伽玛射线的共同机制在物理上相互连接生产“,Murase说。 “但是,也有其他的可能性,需要解释几个新的谜团,包括南极冰中子天文台记录的1000万兆电子伏特范围内的中微子数据。因此,基于多信使方法的进一步调查 - 将理论与所有三种信息数据相结合 - 对测试我们的模型至关重要。“

预计新模型将激发对星系团和团体的研究,以及其他高能宇宙粒子统一模型的发展。预计将在开始使用下一代中微子探测器(如IceCube-Gen2和KM3Net)以及下一代伽马射线望远镜Cherenkov Telescope Array进行观测时进行严格测试。

“多粒子天体物理学的黄金时代最近才开始,”Murase说。 “现在,我们可以从所有不同类型的宇宙使者身上学到的所有信息对揭示极端能量宇宙粒子物理学的新知识和对我们的宇宙有更深入的了解都很重要。”

出版物:Ke Fang&Kohta Murase,“通过嵌入大型结构的黑洞射流将高能宇宙粒子连接起来”,Nature Physics(2018)doi:10.1038 / s41567-017-0025-4

资料来源:宾夕法尼亚州的芭芭拉肯尼迪

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