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極高能宇宙線一般指來自地外的能量高于1018電子伏特(eV)的高能質(zhì)子與原子核,其起源的研究一直是高能天體物理和粒子天體物理領(lǐng)域的熱點問題.近年隨著一些大型探測器(如PierreAuger天文臺)的運行,極高能宇宙線的研究取得很大進展.然而由于極高能宇宙線事例相對較少及其在從源到地球傳播過程中的復(fù)雜性(如與宇宙微波背景輻射以及磁場的作用),需要通過觀測這些宇宙線在強子反應(yīng)中產(chǎn)生的次級粒子(如中微子)來獲得其起源的額外信息.最近,位于南極的IceCube中微子天文臺探測到了54個能量分布在60TeV–3PeV內(nèi)的中微子事例,開啟了高能中微子天文學(xué)的新時代.

在本文中,我們研究了高能中微子、極高能宇宙線的天體物理起源以及它們之間可能的聯(lián)系.首先,我們討論了高能中微子與極高能宇宙線擁有共同起源的可能性.根據(jù)兩者的觀測流量,推斷出極高能宇宙線源的能量產(chǎn)生率與強子反應(yīng)效率需要滿足一定的關(guān)系才能夠同時產(chǎn)生高能中微子.根據(jù)該關(guān)系可以初步排除一些模型.然后,提出了恒星形成星系中的中等相對論性駭新星遺跡可以同時作為IceCube高能中微子的源與極高能宇宙線的源,并計算了在該情況下預(yù)期的中微子能譜.同時,預(yù)言如果高能中微子與極高能宇宙線有共同起源,IceCube將在10–20yr內(nèi)觀測到10PeV的中微子.接著,我們深入討論了伽瑪射線暴是否可以作為觀測到的高能中微子的源.我們首先修正了IceCube團隊早期工作中對伽瑪射線暴中微子流量的過高估計.然后使用蒙特卡洛模擬,基于觀測的伽瑪暴參數(shù)的統(tǒng)計分布以及經(jīng)驗關(guān)系,模擬出了1組伽瑪暴樣本,包括能觸發(fā)儀器響應(yīng)的“亮暴”與無法觸發(fā)儀器響應(yīng)的“暗暴”.在確保“亮暴”符合觀測的基礎(chǔ)上,得出了“暗暴”也無法產(chǎn)生IceCube觀測到的高能中微子的結(jié)論,進一步排除了伽瑪暴作為中微子起源的可能性.此外,我們研究了極高能宇宙線在光子場和磁場中的傳播.對于前者,著重計算了極高能宇宙線在星系際空間傳播時與背景光子場的光致蛻變、光介子反應(yīng)和Bethe-Heitler反應(yīng),并發(fā)現(xiàn)從駭新星遺跡產(chǎn)生的極高能宇宙線經(jīng)傳播后的能譜及化學(xué)組成可以與觀測相符合.

對于后者,針對PierreAuger天文臺發(fā)現(xiàn)的能量大于5.7×1019eV的宇宙線到達方向與鄰近宇宙的質(zhì)量分布有成協(xié)的趨勢,通過模擬不同種類的宇宙線在銀河系磁場中受到的偏折,并利用帶電粒子在磁場中的路徑只依賴于磁剛度的特性,根據(jù)PierreAuger天文臺對于極高能宇宙線化學(xué)成份的觀測,對這些極高能宇宙線源的距離以及金屬豐度做出了限制.最后,根據(jù)激波的流體力學(xué)演化與電子的輻射機制,我們對伽瑪暴GRB090902B與GRB130427A多波段余輝輻射的光變曲線進行擬合,研究了這兩個伽瑪暴的瞬時輻射及晚期高能光子的起源.在此研究中,我們得到這些伽瑪暴產(chǎn)生的激波參數(shù),從而獲知它們加速粒子的能力.

作者：柳若愚 單位：南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院