关于宇宙线的起源和传播介绍

[拼音]：yuzhouxian de qiyuan he chuanbo

[外文]：origin and propagation of cosmic ray

宇宙线的起源通常指宇宙线中的主要成分──各种原子核的发射和加速过程。宇宙线在空间中的运动和分布，属于宇宙线的传播问题。宇宙线的起源和传播问题是彼此密切相关的:加速和传播阶段不能截然划分开;相当一部分初级宇宙线原子核产生于传播过程中。

宇宙线的起源和传播是高能天体物理学中一个重要的问题。宇宙线是各种天体演化过程的产物，特别是各种高能天体物理过程的产物，携带着这些过程的丰富信息。

但是，宇宙线起源和传播的研究有许多困难：首先由于宇宙线带电粒子在星际空间传播过程中受到磁场的偏转，人们无法直接探知它们在空间的分布，只能由宇宙线在运动和作用过程中发射出的射电波、X 射线和γ射线间接地推断它们的存在。宇宙线在传播过程中，还同星际物质作用，不断改变其能量和组成，观测到的初级宇宙线成分和能谱，是由原始起源与传播过程共同决定的。从地球附近初级宇宙线推断产生源处原始宇宙线的情况，必须考虑宇宙线在传播过程中同星际物质的作用以及地球和太阳系磁场的调制，由射电、X射线和γ射线观测推断银河系内宇宙线粒子分布，也必须了解星际介质的分布情况；但是人们对于太阳系磁场和一些重要的星际介质（如星际氢分子）的认识还只是刚刚开始。此外，随着初级宇宙线观测的进展，现有核物理和高能物理知识（如原子核反应截面、长寿命放射性核素的衰变寿命和分支比）的不足，已越来越成为限制人们了解原始宇宙线的重要原因。

宇宙线高能粒子应起源于各种高能天体或天体高能过程。太阳和其他恒星表面的高能活动、超新星爆发、脉冲星、类星体和活动星系等，都可能是宇宙线源。目前人们普遍认为大多数宇宙线粒子起源于银河系内。太阳耀斑爆发等高能过程伴随着粒子的发射，但这种太阳活动只能产生太阳系空间宇宙线粒子的一个小部分，而且太阳粒子平均能量仅数十兆电子伏，大部分宇宙线应来自太阳系之外。银河系普通恒星的粒子发射只能产生银河系内宇宙线粒子的一个微不足道的部分，大部分宇宙线应产生于比普通恒星活动更剧烈的过程。

超新星爆发是银河系内最猛烈的高能现象。银河系超新星爆发的平均能量输出可以满足维持银河宇宙线能量密度的需要。蟹状星云等超新星遗迹强烈发射高度偏振的非热射电辐射，它们应当是高能电子在磁场中的同步辐射。超新星遗迹中存在着大量的高能电子，应当是宇宙线高能电子的发源地。人们普遍设想超新星爆发及其遗迹也应当发射高能原子核，成为宇宙射线的主要来源。宇宙线中氢和氦核的相对丰度较太阳系或银河系平均丰度小，表明宇宙线原子核可能来自恒星演化过程的晚期。宇宙线中重元素（例如Z＞60）较多，它们可能是超新星爆发条件下快速中子俘获过程（γ过程）的产物。宇宙线中一些元素的丰中子同位素较多，也表明宇宙线可能起源于超新星爆发形成的丰中子环境中。但是，迄今并无直接的证据说明超新星及其遗迹发射高能原子核。超新星爆发所释放的能量如何转化为粒子的动能，以及从很多超新星这样的分立源如何能形成宇宙线粒子的幂律能谱，都是超新星起源模型所面临的困难。对于初级宇宙线元素丰度的新近测量结果的分析表明，原始宇宙线重元素的相对丰度分布接近于太阳系的分布，与γ过程预期的分布差别甚大，也同超新星起源模型不一致。

E.费密曾于1949年提出宇宙线在星际介质中统计加速的机制：带电粒子在同随机运动的磁场不断地碰撞中得到加速。费密加速机制可以解释宇宙线的幂律能谱。但是，费密机制要求粒子另有初始加速过程，要求有足够的能量供给星际介质中磁场的运动；同时费密机制不利于加速重原子核，难以解释观测到的宇宙线丰度分布。近来的X射线观测发现，超新星遗迹中至少在104年内存在着强烈的激波。理论分析表明，星际介质中的激波可以有效地加速宇宙线粒子，而且可以产生幂律能谱。由超新星爆发等高能活动引起的较强烈的激波在星际空间高温稀薄气体中可能传播足够长的路程，使激波加速机制可能有效地加速宇宙线粒子。但是，近来发现原始宇宙线元素丰度分布与原子第一电离能密切相关：第一电离能愈低的元素，原始宇宙线丰度与太阳丰度之比愈大。所以，宇宙线起源和加速区域的温度不能太高(＜104开)，使超新星爆发和高温气体中的加速机制遇到了困难。X射线天文观测发现，银河系中为数众多的晚期恒星(K型和M型矮星)虽然光辐射微弱，但X射线发射和耀斑活动(从而粒子发射)的高能过程却仍然很活跃，因而可能是宇宙线的重要发源地。但它们发射出的粒子如何进一步得到加速，也是一个没有解决的问题。

银河系内产生的高能宇宙线粒子，如果自由地在空间中传播，则应在103～104年时间内飞出银河系。由初级宇宙线元素相对丰度推得宇宙线粒子平均穿过的物质厚度约为5克／厘米2，而银盘中星际气体的平均密度约为1氢原子／厘米3，则宇宙线在银盘中的平均滞留时间约3×106年，比自由粒子穿越银盘的时间长得多。所以星际空间中宇宙线粒子不是自由地传播而是在非均匀分布的星际介质中扩散，并且可能在银河系边界处受到反射。从初级宇宙线中一些长寿命同位素（如10Be）相对丰度推得的宇宙线平均寿命 (塼107年)比在银盘中的滞留时间长，所以银河宇宙线粒子在其寿命内的大部分时间中可能是在围绕银盘的某个物质稀薄的区域──宇宙线晕中传播的。

目前人们关于银河系的知识和对宇宙线的观测，还不足以构成和判断细致的宇宙线传播模型。在处理与宇宙线传播效应有关的问题（例如从初级宇宙线组成和能谱推断原始宇宙线的组成和能谱）时，常采用一些简化的稳态传播模型，例如漏箱模型。漏箱模型假定银河系内宇宙线粒子密度不随时间和地点变化，宇宙线粒子在银河系内扩散，通过边界以一定的概率缓慢地向银河系外泄漏。

虽然自60年代以来，随着初级宇宙线以及射电、X射线和γ射线天文观测的进展，人们对于宇宙线起源和传播的认识在不断深入，但由于问题的复杂性，迄今尚未能得到较为满意的模型。人们对于极高能量宇宙线的了解就更少了；即使对于这部分宇宙线的成分，都还缺乏任何明确的认识。银河系磁场不能贮存能量高于 1018电子伏的粒子，银河系内起源的极高能粒子应当呈现高度的各向异性;但能量高于1018电子伏宇宙线粒子方向的各向异性度揥10％，而且较多的粒子并非来自银河系中心，所以极高能宇宙线粒子可能起源于银河系外。由于河外星系的空间密度很低，河外区域必须存在比银河系强大得多的宇宙线粒子源，才能解释观测到的极高能宇宙线粒子流。