诞生于129亿年前的恒星，距离我们280亿光年，真有超光速运动？
2022年3月30日，英国《自然》杂志上刊登了一项哈勃望远镜的最新研究结果，美国哈勃望远镜借助“引力透镜”效应发现了人类迄今为止观测到的最遥远单颗恒星，距离地球约280亿光年。这颗新恒星被命名为为Earendel，该词来自古英语，意为“晨星”。
这颗恒星大约诞生于129亿年前，宇宙大约诞生于138亿年前，这离宇宙大爆炸的时间很近，这令人振奋，因为它不仅是人类迄今发现的最遥远的单颗恒星，也是最古老的单颗恒星。
哈勃太空望远镜发射于1990年，从发射之日算起，它现在已经服役30多年了。期间经历了5次太空维修，最后一次维护任务是2009年5月份。虽然它的继任者韦伯太空望远镜已经成功上天并正常工作，但哈勃望远镜估计还能发挥余热坚持到2025年左右。此次哈勃望远镜发现迄今最遥远的单颗恒星，这只是它众多重大发现中的一个小插曲。
科学家估计，Earendel的质量至少是太阳的50倍，亮度是太阳的数百万倍，是一颗很大的极其明亮的恒星，不然我们也不可能在上百亿光年外看见它。Earendel大约诞生于129亿年前（注意是诞生于129亿年前，并不是它的年龄是129亿年），如果它真的是一颗超大质量恒星，寿命可能只有十多亿年，现在应该已经不存在了。
Earendel就像一台时光机，它诞生于极早期的宇宙，它的组成成分可能与我们周围的恒星不同，
美国霍普金斯大学的研究人员布赖恩·韦尔奇表示，对它的研究或许会成为揭开早期宇宙秘密的一扇窗。
Earendel的光用了129亿年时间才到达地球，假设它现在还存在，那么它与我们的距离大约为280亿光年。这意味着这些光用了129亿年的时间，走过了280亿光年的距离，显然这超光速了！
根据爱因斯坦的相对论，物体运动速度的极限是光速，大约30万公里每秒。Earendel诞生于129亿年前，它发出的光按理说只能传播129亿光年，可实际距离却多了151亿光年，这是怎么回事？
宇宙膨胀和大爆炸
实际上，Earendel发出的光的传播速度并没有变，它用129亿年的时间走过了280亿光年的距离，是因为宇宙空间在膨胀，让我们误以为传播速度超光速了，这其实是宇宙膨胀与光的传播相互叠加后所产生的效果。
一个膨胀的宇宙是动态的，这说明早期宇宙中的物质密度很大，科学家也是这么想的，因此伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理论，认为宇宙诞生于138亿年前的一次爆炸，在这之前宇宙还只是一个奇点。
宇宙大爆炸理论的提出，源于美国天文学家爱德温·哈勃在上世纪20年代的天文观测，他发现银河系外的星系都在远离我们，并且离我们越远的星系远离我们的速度越快。在此之前人们普遍认为宇宙是静态的，宇宙的大小是恒定的。如果说只是星系在运动，那么除了有星系远离我们，也必然会有星系靠近我们，可实际上并没有。哈勃的这一观测结果成为了支持宇宙大爆炸的有力证据之一。为了纪念他的成就，哈勃望远镜就是以他的名字命名的。
上世纪60年代，美国人彭齐亚斯和威尔逊发现了大爆炸残留的余热——宇宙微波背景辐射，而这符合大爆炸理论所做出的理论预测。这一发现让他俩获得了诺贝尔奖。此外，宇宙中氦元素的丰度，也是大爆炸理论的有力证据之一。
其实，在宇宙诞生不久后的极短时间内，宇宙空间曾发生过剧烈的膨胀，体积呈指数式增长，这一过程被称之为暴涨。上世纪90年代，科学家还发现，宇宙正在加速膨胀，这一转变大约发生在40亿年前，研究人员也因此获得了诺贝尔奖。
宇宙空间各向同性，处处都在膨胀，根据观测，距离每增加326万光年，星系的退行速度就会增加67.8千米每秒。据此可知，大约在140多亿光年外的地方，那里的天体远离我们的速度已经超过了光速。
宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度甚至超越了光速，不过这并不违反光速不变原理，因为这是空间的膨胀，并不涉及物质的运动，那些遥远的星系在以超光速远离我们，可它们的实际运动速度并没有超光速。银河系是比较古老的星系，Earendel现在看起来距离我们280亿光年，在很早的时候它距离银河系应该只有几十亿光年。
并且，根据宇宙大爆炸理论，宇宙中最早的一批恒星诞生于发生大爆炸的2亿年后，也就是说Earendel并不是最古老和最遥远的恒星。不过，哈勃太空望远镜的极限观测能力差不多就止步于此了，那些距离我们更遥远更古老的恒星，需要韦伯望远镜来进行观测。
好了，就讲到这儿，关注我，咱们下次见。
#超能新星汇#
2022年3月30日，英国《自然》杂志上刊登了一项哈勃望远镜的最新研究结果，美国哈勃望远镜借助“引力透镜”效应发现了人类迄今为止观测到的最遥远单颗恒星，距离地球约280亿光年。这颗新恒星被命名为为Earendel，该词来自古英语，意为“晨星”。
这颗恒星大约诞生于129亿年前，宇宙大约诞生于138亿年前，这离宇宙大爆炸的时间很近，这令人振奋，因为它不仅是人类迄今发现的最遥远的单颗恒星，也是最古老的单颗恒星。
哈勃太空望远镜发射于1990年，从发射之日算起，它现在已经服役30多年了。期间经历了5次太空维修，最后一次维护任务是2009年5月份。虽然它的继任者韦伯太空望远镜已经成功上天并正常工作，但哈勃望远镜估计还能发挥余热坚持到2025年左右。此次哈勃望远镜发现迄今最遥远的单颗恒星，这只是它众多重大发现中的一个小插曲。
科学家估计，Earendel的质量至少是太阳的50倍，亮度是太阳的数百万倍，是一颗很大的极其明亮的恒星，不然我们也不可能在上百亿光年外看见它。Earendel大约诞生于129亿年前（注意是诞生于129亿年前，并不是它的年龄是129亿年），如果它真的是一颗超大质量恒星，寿命可能只有十多亿年，现在应该已经不存在了。
Earendel就像一台时光机，它诞生于极早期的宇宙，它的组成成分可能与我们周围的恒星不同，
美国霍普金斯大学的研究人员布赖恩·韦尔奇表示，对它的研究或许会成为揭开早期宇宙秘密的一扇窗。
Earendel的光用了129亿年时间才到达地球，假设它现在还存在，那么它与我们的距离大约为280亿光年。这意味着这些光用了129亿年的时间，走过了280亿光年的距离，显然这超光速了！
根据爱因斯坦的相对论，物体运动速度的极限是光速，大约30万公里每秒。Earendel诞生于129亿年前，它发出的光按理说只能传播129亿光年，可实际距离却多了151亿光年，这是怎么回事？
宇宙膨胀和大爆炸
实际上，Earendel发出的光的传播速度并没有变，它用129亿年的时间走过了280亿光年的距离，是因为宇宙空间在膨胀，让我们误以为传播速度超光速了，这其实是宇宙膨胀与光的传播相互叠加后所产生的效果。
一个膨胀的宇宙是动态的，这说明早期宇宙中的物质密度很大，科学家也是这么想的，因此伽莫夫等人提出了宇宙大爆炸理论，认为宇宙诞生于138亿年前的一次爆炸，在这之前宇宙还只是一个奇点。
宇宙大爆炸理论的提出，源于美国天文学家爱德温·哈勃在上世纪20年代的天文观测，他发现银河系外的星系都在远离我们，并且离我们越远的星系远离我们的速度越快。在此之前人们普遍认为宇宙是静态的，宇宙的大小是恒定的。如果说只是星系在运动，那么除了有星系远离我们，也必然会有星系靠近我们，可实际上并没有。哈勃的这一观测结果成为了支持宇宙大爆炸的有力证据之一。为了纪念他的成就，哈勃望远镜就是以他的名字命名的。
上世纪60年代，美国人彭齐亚斯和威尔逊发现了大爆炸残留的余热——宇宙微波背景辐射，而这符合大爆炸理论所做出的理论预测。这一发现让他俩获得了诺贝尔奖。此外，宇宙中氦元素的丰度，也是大爆炸理论的有力证据之一。
其实，在宇宙诞生不久后的极短时间内，宇宙空间曾发生过剧烈的膨胀，体积呈指数式增长，这一过程被称之为暴涨。上世纪90年代，科学家还发现，宇宙正在加速膨胀，这一转变大约发生在40亿年前，研究人员也因此获得了诺贝尔奖。
宇宙空间各向同性，处处都在膨胀，根据观测，距离每增加326万光年，星系的退行速度就会增加67.8千米每秒。据此可知，大约在140多亿光年外的地方，那里的天体远离我们的速度已经超过了光速。
宇宙不仅在膨胀，而且膨胀速度甚至超越了光速，不过这并不违反光速不变原理，因为这是空间的膨胀，并不涉及物质的运动，那些遥远的星系在以超光速远离我们，可它们的实际运动速度并没有超光速。银河系是比较古老的星系，Earendel现在看起来距离我们280亿光年，在很早的时候它距离银河系应该只有几十亿光年。
并且，根据宇宙大爆炸理论，宇宙中最早的一批恒星诞生于发生大爆炸的2亿年后，也就是说Earendel并不是最古老和最遥远的恒星。不过，哈勃太空望远镜的极限观测能力差不多就止步于此了，那些距离我们更遥远更古老的恒星，需要韦伯望远镜来进行观测。
好了，就讲到这儿，关注我，咱们下次见。
#超能新星汇#
我好像彻底理解了相对论的初级原理。
相对论的最简单的解释就是：你和另一个人处于同一时间领域，同一空间平面，时间平面，同一客观宇宙，
你去买东西，而另一个人还在原地（不计算高度对时间的影响，应该处于同一时间平面（注：这里的表述在科学界，过去的科学界甚至未来的科学界，都是绝对错误或相对错误的）），
然后你买东西回来了，你重新站在另一个人的的身边（不计算你拿着东西质量和刚才不一样所产生的影响。），另一个人看着你，说：“你怎么这么快。”但是你表示茫然，明明过了一段时间啊，
也就是说你和另一个人对时间的客观感受和主观感觉不一样。
对于这个问题，爱因斯坦解释：时间是相对的，
那么我问，为什么时间是相对的呢？所以到底有没有人对时间是相对的原因产生质疑呢？
也许只有我。
今天凌晨，
我在和朋友的谈话中，偶然谈到了美国和中国的时差，我用美国的时间早于中国，和中国的时间晚于美国来举例子，
他明白了，但是，我开始自我提问，
为什么美国的时间比中国早，中国的时间比美国晚？
是什么造成了这两个概念的不同？
于是，我得出结论，是因为参照物的不同，才导致美国的时间比中国早，中国的时间比美国晚，
在阐述美国的时间比中国早时，是以中国为参照物，在阐述中国的时间比美国晚时，是以美国为参照物，这说明参照物一般在一个句子中“比”的后面，而“比”的前面是被参照物。
所以美国的时间比中国早，中国的时间比美国晚，这是因为参照物的不同，
所以说，美国的时间和中国的时间是相比较的，是相互对立的，也就是“相对”，美国的时间和中国的时间是“相对”的，是“相互对照”的存在。
所以时间是相对的，那么为什么相对？这就是因为，因为参照物不一样，美国的时间和中国的时间是相对的，美国的时间早于中国，中国的时间晚于美国，就是因为参照物的不同，而美国的时间和中国的时间是相对的，所以就表示时间之所以是相对的，是因为参照物不一样。
比如，一个宇航员，去外太空执行任务，离开地球，来到了银河系中的另一颗星球，生活了2年，
回到地球（这里假设他使用了超光速技术，或者实现了空间折跃）后，
发现地球已经过了50年，
这就是一个相对论的问题，
因为参照物的不同，
以地球为参照物，时间已经过去了50年，
而以银河系中的另一颗星球为参照物，时间只过去了2年而已。
这就是相对论的基本原理的奥秘，是参照物的不同导致了时间的相对性，时间的相对性源于参照物的不同。
用初中物理的知识来说，就是
有两列相对摆放的列车，而你坐在其中一列火车中，看向窗外，你可以发现两辆列车都没有动，而另一辆列车开动后，你会产生你的列车开动了的感觉，但是你的列车并没有动，
这就是参照物的不同，所引发的问题。
而假如，这两辆列车是两条时间线，你在1号时间线，看着2号时间线，2号时间线动了，你以为1号时间线也在前进，
这就是参照物的不同，而在这里，时间恰好是相对的，所以时间的相对性源于参照物的不同，参照物的不同导致了时间的相对性。
所以，爱因斯坦的相对论就是拿两种在同一时间内发生的两件不同的事，相互比较所产生的差异（两个时间的事相互比较是主观差异，两个时间的事比较所产生的差异是主观差异或者个体差异）。
所以相对论的初级原理讨论的问题（时间是相对的）的原因就是：
参照物不同。
所以，参照物不同就是相对论初级原理的主要原因。
是相对论的基础。
相对论的最简单的解释就是：你和另一个人处于同一时间领域，同一空间平面，时间平面，同一客观宇宙，
你去买东西，而另一个人还在原地（不计算高度对时间的影响，应该处于同一时间平面（注：这里的表述在科学界，过去的科学界甚至未来的科学界，都是绝对错误或相对错误的）），
然后你买东西回来了，你重新站在另一个人的的身边（不计算你拿着东西质量和刚才不一样所产生的影响。），另一个人看着你，说：“你怎么这么快。”但是你表示茫然，明明过了一段时间啊，
也就是说你和另一个人对时间的客观感受和主观感觉不一样。
对于这个问题，爱因斯坦解释：时间是相对的，
那么我问，为什么时间是相对的呢？所以到底有没有人对时间是相对的原因产生质疑呢？
也许只有我。
今天凌晨，
我在和朋友的谈话中，偶然谈到了美国和中国的时差，我用美国的时间早于中国，和中国的时间晚于美国来举例子，
他明白了，但是，我开始自我提问，
为什么美国的时间比中国早，中国的时间比美国晚？
是什么造成了这两个概念的不同？
于是，我得出结论，是因为参照物的不同，才导致美国的时间比中国早，中国的时间比美国晚，
在阐述美国的时间比中国早时，是以中国为参照物，在阐述中国的时间比美国晚时，是以美国为参照物，这说明参照物一般在一个句子中“比”的后面，而“比”的前面是被参照物。
所以美国的时间比中国早，中国的时间比美国晚，这是因为参照物的不同，
所以说，美国的时间和中国的时间是相比较的，是相互对立的，也就是“相对”，美国的时间和中国的时间是“相对”的，是“相互对照”的存在。
所以时间是相对的，那么为什么相对？这就是因为，因为参照物不一样，美国的时间和中国的时间是相对的，美国的时间早于中国，中国的时间晚于美国，就是因为参照物的不同，而美国的时间和中国的时间是相对的，所以就表示时间之所以是相对的，是因为参照物不一样。
比如，一个宇航员，去外太空执行任务，离开地球，来到了银河系中的另一颗星球，生活了2年，
回到地球（这里假设他使用了超光速技术，或者实现了空间折跃）后，
发现地球已经过了50年，
这就是一个相对论的问题，
因为参照物的不同，
以地球为参照物，时间已经过去了50年，
而以银河系中的另一颗星球为参照物，时间只过去了2年而已。
这就是相对论的基本原理的奥秘，是参照物的不同导致了时间的相对性，时间的相对性源于参照物的不同。
用初中物理的知识来说，就是
有两列相对摆放的列车，而你坐在其中一列火车中，看向窗外，你可以发现两辆列车都没有动，而另一辆列车开动后，你会产生你的列车开动了的感觉，但是你的列车并没有动，
这就是参照物的不同，所引发的问题。
而假如，这两辆列车是两条时间线，你在1号时间线，看着2号时间线，2号时间线动了，你以为1号时间线也在前进，
这就是参照物的不同，而在这里，时间恰好是相对的，所以时间的相对性源于参照物的不同，参照物的不同导致了时间的相对性。
所以，爱因斯坦的相对论就是拿两种在同一时间内发生的两件不同的事，相互比较所产生的差异（两个时间的事相互比较是主观差异，两个时间的事比较所产生的差异是主观差异或者个体差异）。
所以相对论的初级原理讨论的问题（时间是相对的）的原因就是：
参照物不同。
所以，参照物不同就是相对论初级原理的主要原因。
是相对论的基础。
新星跻身宇宙线加速器行列
能够产生高能宇宙粒子（包括强子和电子）的天体，被统称为宇宙粒子加速器。其中，能够产生强子的天体被称为宇宙线加速器。迄今为止，人们观测到的宇宙线的最高能量已达到1020电子伏特
陈松战 中国科学院高能物理研究所研究员
近日，科学家利用位于非洲纳米比亚的伽马射线天文台，首次观测到新星产生的冲击波撕裂了其周围的介质，将粒子拉扯在一起并加速到极高能量，此次观测到的伽马射线，能量高达1012电子伏特，新星“蛇夫座RS”甚至可使粒子加速至理论极限速度。相关研究成果发表在国际学术期刊《科学》上。
“这项研究揭示了新星是甚高能（能量大于1011电子伏特）宇宙线加速器。”中国科学院高能物理研究所研究员陈松战在接受科技日报记者采访时表示，未来，可产生1012电子伏特伽马射线的新星将会成为地面探测装置的重要研究目标。作为宇宙线加速器，新星还是一种理想的天体物理实验室，可以用于检验激波加速粒子的现有理论。
加速能力弱而激波演变快
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，广义的宇宙线由各种原子核以及非常少量的电子、光子和中微子等组成，狭义的宇宙线主要是指强子。
宇宙线也被称作“银河陨石”、传递宇宙大事件的“信使”。这是因为宇宙线本身就是组成宇宙天体的物质成分，携带着宇宙起源、天体演化的宝贵信息来到地球。
“能够产生高能宇宙粒子（包括强子和电子）的天体，被统称为宇宙粒子加速器。其中，能够产生强子的天体被称为宇宙线加速器。”陈松战表示，迄今为止，人们观测到的宇宙线的最高能量已达到1020电子伏特，是目前人类最大的粒子加速器——欧洲核子中心大型强子对撞机（LHC）所能加速粒子能量的1000万倍。
1912年，奥地利科学家赫斯发现宇宙线，开辟了基本粒子研究的新领域，赫斯也因此获得了诺贝尔物理学奖。2004年，宇宙线起源及其加速机制，被确定为新世纪11个“世纪谜题”之一，科学家为此展开深入研究，希望能够揭开宇宙线的身世之谜。
百年后的今天，人类对于宇宙线又有哪些新的认知？
宇宙线很难被追根溯源。陈松战表示，宇宙线主要是带电粒子，在宇宙空间飞行时会受星际磁场影响发生偏转，逐渐偏离最初的方向。因此，根据地球上观测到的宇宙线到达地球的方向，很难反推出宇宙线发射源的方向。
好在宇宙线中的伽马射线给科学家留了“一扇窗”。宇宙线会与其诞生处附近的星际气体碰撞产生中性的高能伽马射线，伽马射线是由高能光子组成的粒子流，与带电粒子不同，光子的传播不受磁场影响，因此伽马射线在宇宙空间沿直线传播。“通过探测伽马射线，就可以直接找到其父辈带电粒子的加速源头。”他说。
据了解，科学家已经发现了200个甚高能伽马射线源，但它们只能被称为宇宙线源候选体，因为除宇宙线外，电子也会产生伽马射线。
加速机制符合主流理论模型
陈松战指出，目前粒子天体物理学最核心的问题，是寻找能够加速强子到1015电子伏特及以上的宇宙线加速器。
在加速机制方面，陈松战表示，宇宙粒子加速器是如何加速粒子的，仍然是目前科学研究中的前沿问题，已经知道的是，不同种类天体的加速机制可能不同，但是新星、超新星及其遗迹为同类天体，其加速机制是一样的。
普遍认为，粒子是由新星、超新星及其遗迹抛出的高速物质与周围介质碰撞产生的激波加速的，粒子反复穿越激波面逐步获得能量，这就是耗散激波加速理论。陈松战说，这是目前已知的非常有效的粒子加速机制，它可以将激波约10%的机械能转化为被加速粒子的能量。
宇宙粒子加速器主要有超新星爆发及其遗迹星云、脉冲星、伽马射线暴、年轻大质量星团、活动星系核等。一般认为能量在1015电子伏特及以下的宇宙线，来源于银河系内天体，而更高能量的宇宙线来源于银河系外天体。
此前观测研究已表明，新星为GeV（10亿电子伏特）宇宙粒子加速器，其加速粒子能力比上文提到的几种天体弱很多。所以，在地面伽马探测器观测中很难被探测到。
陈松战表示，此次最新研究是地面探测器首次观测到来源于新星的、能量大于1011电子伏特的伽马辐射，而宇宙线能量一般是其次级伽马光子能量的10倍，所以通过探测到1012电子伏特的伽马射线，证明了新星能够加速宇宙线粒子到1013电子伏特，也就是说，新星成为了TeV（万亿电子伏特）宇宙线加速器。“尽管如此，新星其实还是相对比较弱的宇宙线加速器。”他解释说，从能量上看，TeV与PeV（千万亿电子伏特）相比能量有些低；从宇宙线的流强（每秒每平方米到达地球上的宇宙线数目）上看，新星产生的宇宙线远少于地球观测到宇宙线的总量。
那么，新星作为宇宙线加速器，其加速机制是怎样的？陈松战表示，新星一般产生于由白矮星和普通恒星组成的双星系统中，是由吸积在白矮星表面的氢被白矮星高温加热造成剧烈的核子爆炸现象，爆炸时抛出的高速物质与伴星星风碰撞产生强激波，激波可以加速粒子。
“新星最大的特点是辐射存在快速演化现象，在‘天’的时间尺度上存在显著变化，而超新星爆炸形成的激波会持续万年。所以说，新星可以作为理想的天体物理实验室，来检验现有的激波加速粒子理论。”陈松战说。
观测结果符合理论最高加速能量
是什么样的天体在加速宇宙线？粒子是如何被加速到极端高能的？这是新世纪科学家需要解答的宇宙难题之一。
此次最新研究中，科学家给出的理论预期最高能量为1013电子伏特。陈松战表示，这项研究中的宇宙粒子加速器的理论极限，其实是根据耗散激波加速理论估计的粒子最高加速能量得出的。
粒子能获得的最高能量受激波的速度、存在时间及对粒子的束缚能力等条件限制。耗散激波加速理论根据抛出物的速度、质量及其周围介质的密度等条件，对加速粒子的最高能量进行估计。
科学家根据观测到伽马射线的最高能量来反推出其父辈粒子的能量，也就是在新星激波中加速粒子的能量，这个能量与耗散激波加速理论预期的最高能量相当。
我国四川稻城县高海拔宇宙线观测站（LHAASO）的主要科学目标，就是通过探测能量在1014电子伏特以上的伽马射线，寻找能够加速1015电子伏特粒子的宇宙线加速器。超新星爆发及其遗迹星云能否加速宇宙线至1015电子伏特？这将需要LHAASO来探索和回答。
2021年，根据LHAASO的首批探测数据，科学家取得了重要的研究进展——发现了首批1015电子伏特宇宙粒子加速器，并观测到1400万亿电子伏特的迄今最高能量光子。
“长久以来，超新星爆发及其遗迹被认为是银河系内宇宙线的主要加速源，根据观测验证，只有大质量星产生的超新星爆发才可能加速粒子至1015电子伏特能量。”陈松战说。
来源：科技日报
能够产生高能宇宙粒子（包括强子和电子）的天体，被统称为宇宙粒子加速器。其中，能够产生强子的天体被称为宇宙线加速器。迄今为止，人们观测到的宇宙线的最高能量已达到1020电子伏特
陈松战 中国科学院高能物理研究所研究员
近日，科学家利用位于非洲纳米比亚的伽马射线天文台，首次观测到新星产生的冲击波撕裂了其周围的介质，将粒子拉扯在一起并加速到极高能量，此次观测到的伽马射线，能量高达1012电子伏特，新星“蛇夫座RS”甚至可使粒子加速至理论极限速度。相关研究成果发表在国际学术期刊《科学》上。
“这项研究揭示了新星是甚高能（能量大于1011电子伏特）宇宙线加速器。”中国科学院高能物理研究所研究员陈松战在接受科技日报记者采访时表示，未来，可产生1012电子伏特伽马射线的新星将会成为地面探测装置的重要研究目标。作为宇宙线加速器，新星还是一种理想的天体物理实验室，可以用于检验激波加速粒子的现有理论。
加速能力弱而激波演变快
宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，广义的宇宙线由各种原子核以及非常少量的电子、光子和中微子等组成，狭义的宇宙线主要是指强子。
宇宙线也被称作“银河陨石”、传递宇宙大事件的“信使”。这是因为宇宙线本身就是组成宇宙天体的物质成分，携带着宇宙起源、天体演化的宝贵信息来到地球。
“能够产生高能宇宙粒子（包括强子和电子）的天体，被统称为宇宙粒子加速器。其中，能够产生强子的天体被称为宇宙线加速器。”陈松战表示，迄今为止，人们观测到的宇宙线的最高能量已达到1020电子伏特，是目前人类最大的粒子加速器——欧洲核子中心大型强子对撞机（LHC）所能加速粒子能量的1000万倍。
1912年，奥地利科学家赫斯发现宇宙线，开辟了基本粒子研究的新领域，赫斯也因此获得了诺贝尔物理学奖。2004年，宇宙线起源及其加速机制，被确定为新世纪11个“世纪谜题”之一，科学家为此展开深入研究，希望能够揭开宇宙线的身世之谜。
百年后的今天，人类对于宇宙线又有哪些新的认知？
宇宙线很难被追根溯源。陈松战表示，宇宙线主要是带电粒子，在宇宙空间飞行时会受星际磁场影响发生偏转，逐渐偏离最初的方向。因此，根据地球上观测到的宇宙线到达地球的方向，很难反推出宇宙线发射源的方向。
好在宇宙线中的伽马射线给科学家留了“一扇窗”。宇宙线会与其诞生处附近的星际气体碰撞产生中性的高能伽马射线，伽马射线是由高能光子组成的粒子流，与带电粒子不同，光子的传播不受磁场影响，因此伽马射线在宇宙空间沿直线传播。“通过探测伽马射线，就可以直接找到其父辈带电粒子的加速源头。”他说。
据了解，科学家已经发现了200个甚高能伽马射线源，但它们只能被称为宇宙线源候选体，因为除宇宙线外，电子也会产生伽马射线。
加速机制符合主流理论模型
陈松战指出，目前粒子天体物理学最核心的问题，是寻找能够加速强子到1015电子伏特及以上的宇宙线加速器。
在加速机制方面，陈松战表示，宇宙粒子加速器是如何加速粒子的，仍然是目前科学研究中的前沿问题，已经知道的是，不同种类天体的加速机制可能不同，但是新星、超新星及其遗迹为同类天体，其加速机制是一样的。
普遍认为，粒子是由新星、超新星及其遗迹抛出的高速物质与周围介质碰撞产生的激波加速的，粒子反复穿越激波面逐步获得能量，这就是耗散激波加速理论。陈松战说，这是目前已知的非常有效的粒子加速机制，它可以将激波约10%的机械能转化为被加速粒子的能量。
宇宙粒子加速器主要有超新星爆发及其遗迹星云、脉冲星、伽马射线暴、年轻大质量星团、活动星系核等。一般认为能量在1015电子伏特及以下的宇宙线，来源于银河系内天体，而更高能量的宇宙线来源于银河系外天体。
此前观测研究已表明，新星为GeV（10亿电子伏特）宇宙粒子加速器，其加速粒子能力比上文提到的几种天体弱很多。所以，在地面伽马探测器观测中很难被探测到。
陈松战表示，此次最新研究是地面探测器首次观测到来源于新星的、能量大于1011电子伏特的伽马辐射，而宇宙线能量一般是其次级伽马光子能量的10倍，所以通过探测到1012电子伏特的伽马射线，证明了新星能够加速宇宙线粒子到1013电子伏特，也就是说，新星成为了TeV（万亿电子伏特）宇宙线加速器。“尽管如此，新星其实还是相对比较弱的宇宙线加速器。”他解释说，从能量上看，TeV与PeV（千万亿电子伏特）相比能量有些低；从宇宙线的流强（每秒每平方米到达地球上的宇宙线数目）上看，新星产生的宇宙线远少于地球观测到宇宙线的总量。
那么，新星作为宇宙线加速器，其加速机制是怎样的？陈松战表示，新星一般产生于由白矮星和普通恒星组成的双星系统中，是由吸积在白矮星表面的氢被白矮星高温加热造成剧烈的核子爆炸现象，爆炸时抛出的高速物质与伴星星风碰撞产生强激波，激波可以加速粒子。
“新星最大的特点是辐射存在快速演化现象，在‘天’的时间尺度上存在显著变化，而超新星爆炸形成的激波会持续万年。所以说，新星可以作为理想的天体物理实验室，来检验现有的激波加速粒子理论。”陈松战说。
观测结果符合理论最高加速能量
是什么样的天体在加速宇宙线？粒子是如何被加速到极端高能的？这是新世纪科学家需要解答的宇宙难题之一。
此次最新研究中，科学家给出的理论预期最高能量为1013电子伏特。陈松战表示，这项研究中的宇宙粒子加速器的理论极限，其实是根据耗散激波加速理论估计的粒子最高加速能量得出的。
粒子能获得的最高能量受激波的速度、存在时间及对粒子的束缚能力等条件限制。耗散激波加速理论根据抛出物的速度、质量及其周围介质的密度等条件，对加速粒子的最高能量进行估计。
科学家根据观测到伽马射线的最高能量来反推出其父辈粒子的能量，也就是在新星激波中加速粒子的能量，这个能量与耗散激波加速理论预期的最高能量相当。
我国四川稻城县高海拔宇宙线观测站（LHAASO）的主要科学目标，就是通过探测能量在1014电子伏特以上的伽马射线，寻找能够加速1015电子伏特粒子的宇宙线加速器。超新星爆发及其遗迹星云能否加速宇宙线至1015电子伏特？这将需要LHAASO来探索和回答。
2021年，根据LHAASO的首批探测数据，科学家取得了重要的研究进展——发现了首批1015电子伏特宇宙粒子加速器，并观测到1400万亿电子伏特的迄今最高能量光子。
“长久以来，超新星爆发及其遗迹被认为是银河系内宇宙线的主要加速源，根据观测验证，只有大质量星产生的超新星爆发才可能加速粒子至1015电子伏特能量。”陈松战说。
来源：科技日报
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