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宇宙线起源之谜

为了解决宇宙线物理中的这些基本问题，近一个世纪以来物理学家们从小到一只手可以拿起的实验设备做起，直到当今覆盖3000千米2的俄歇宇宙线观测站；
宇宙线起源之谜
建造了从直接探测原初宇宙线粒子的帕梅拉观测卫星，到位于南极冰下两三千米的1千米3巨型中微子望远镜冰立方，人类一直苦苦探寻着这些问题的答案，但是时至今日仍然没有得到清晰、完美的解答。其中最关键的问题就是不知道这些粒子来自何方。在21世纪到来之际，人类清理自己的知识、总结尚未解决的残留问题之时，毫不犹豫地将宇宙线的起源列为本世纪11大未解科学难题之一，成为宇宙线物理学科的核心问题。
宇宙线到底来自哪些天体呢？迄今为止人类唯一确认的宇宙线源只有一个太阳，但太阳发出的宇宙线的能量基本低于1011电子伏。在跨越10多个量级的宇宙线能谱上，存在着3个明显的拐折，分别是位于1015.5电子伏和1017～1018电子伏的两个“膝”（能谱变陡）以及1018.5电子伏处的“踝”。通过对能谱中这些明显特征的研究，科学家推断低于“踝”能量的宇宙线来自于银河系，而更高能量的宇宙线很可能来自于河外。
经典理论模型认为河内宇宙线产生于超新星遗迹，带电粒子被其激波加速到很高的能量抛射出来，在银河系磁场中做回旋运动，它们被磁场束缚在银河系内部达数百万年之久，在银河系内部呈各向同性的均匀分布，也即包括地球在内的银河系内部任何地方看到的来自各个方向的宇宙线数目都基本相等。
超新星遗迹对不同粒子的加速能力最高只能达到1015～1017电子伏，同时银河系磁场对不同种类、不同能量的粒子的束缚能力也不同，上述原因导致了宇宙线能谱上的“膝”结构。理论模型虽然能够基本解释观测到的宇宙线能谱，但迄今为止人类尚未找到超新星遗迹是银河系宇宙线源的确切证据。对“踝”的解释由于依赖其相邻部分能谱的解释，所以依然停留在近乎猜测的阶段。
在宇宙线能谱的最高端，一般认为这些宇宙线来自于银河系外部（如活动星系核、γ射线暴等），它们在漫长的宇宙旅途中与河外背景光子发生作用，在能谱上形成著名的GZK截断，即当宇宙射线能量超过5×1019电子伏，将会与宇宙背景光子发生作用，从而无法到达地球。GZK截断现象涉及粒子物理、宇宙学、宇宙线等诸多领域中的重大前沿问题，其能量远远高于人造加速器所能及，相关研究只能依赖宇宙线实验，但迄今宇宙线观测在该能段的统计量极度匮乏，需要积累更大的统计量甚而需要发展新的探测手段才能对该截断行为进行更精细的研究。
 

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