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在[[粒子天文物理学|粒子天文物理]]中，'''超高能宇宙射線'''（{{lang-en|Ultra-high-energy cosmic ray}}，'''UHECR'''）是指能量高於1 EeV（10<sup>18</sup>[[電子伏特]]，相當約0.16焦耳）的[[宇宙射線]]，其能量遠高於其他典型宇宙射線的[[靜質量]]與能量。 

'''極高能宇宙射線'''（{{lang-en|Extreme-energy cosmic ray}}，'''EECR'''）是能量超過5×10<sup>19</sup> eV（相當約8焦耳）的UHECR。5×10<sup>19</sup> eV這個值即所謂[[GZK極限]]，指的是長距離行進（約1.6億光年）的宇宙射線質子會因為[[宇宙微波背景]]（CMB）中光子的散射，導致能量有上限。因此，EECR不可能自[[宇宙年表|早期宇宙]]就存在至今，而是宇宙學上較「年輕」的宇宙射線，而且因某種未知的物理過程而從[[本超星系团|本超星系團]]的某個位置發射出來。如果EECR不是質子，而是核子數為 <math>A</math> 的原子核，那麼GZK極限也適用該核子數，只是原子核的總能量限制前帶有 <math>1/A</math> 的分數。對於鐵原子核，相應的極限會是{{Val|2.8|e=21|u=eV}} 。但是，核物理過程導致鐵原子核的極限與質子相近。其他高豐度的原子核其極限甚至更低。 

這些粒子非常稀有；在2004年至2007年之間， [[皮埃爾·俄歇觀測站|皮埃爾・奧格天文台]] （PAO）初始運行時檢測到27起事件，估計它們抵達天文台時能量超過 {{Val|5.7|e=19|u=eV}} ，也就是說，該天文台所調查的 3000 km<sup>2</sup> 面積之中大約每四週就發生一次這樣的事件。 <ref>
{{Cite journal|title=A Bayesian analysis of the 27 highest energy cosmic rays detected by the Pierre Auger Observatory|last=Watson|first=L. J.|last2=Mortlock|first2=D. J.|date=2011|journal=[[Monthly Notices of the Royal Astronomical Society]]|issue=1|doi=10.1111/j.1365-2966.2011.19476.x|volume=418|pages=206–213|arxiv=1010.0911|bibcode=2011MNRAS.418..206W|last3=Jaffe|first3=A. H.}}</ref> 

有證據顯示，這些最高能量的宇宙射線可能是'''鐵原子核''' ，而不是構成大多數宇宙射線的質子。 <ref name="Cosmic-ray theory unravels">{{Cite journal|title=Cosmic-ray theory unravels|last=Hand|first=E|date=22 February 2010|journal=[[Nature (journal)|Nature]]|issue=7284|doi=10.1038/4631011a|volume=463|pages=1011|pmid=20182484}}</ref> 

人們推定EECR的（假說性的）發射源稱為[[捷伐加速器|'''捷伐加速器''']]（Zevatron），其命名就如同[[劳伦斯伯克利国家实验室|勞倫斯・柏克萊國家實驗室]]的貝伐加速器（Bevatron），以及[[费米国立加速器实验室|費米實驗室]]的[[兆電子伏特加速器]]（Tevatron）一樣，所以能夠將粒子加速到1 ZeV（10<sup>21</sup> eV，[[皆]]電子伏特）。基於[[相对论性喷流|星系噴流]]内部的衝擊波可引起粒子的擴散加速，[[相對論性噴流|星系噴流]]在2004年一度被考慮可能就是Zevatron。特别是，模型表明，附近[[室女A星系|M87]][[相对论性喷流|星系噴流]]衝擊波可能將鐵原子核加速到ZeV範圍。 <ref>
{{Cite journal|title=Filamentary Jets as a Cosmic-Ray "Zevatron"|last=Honda|first=M.|last2=Honda|first2=Y. S.|date=2004|journal=[[The Astrophysical Journal Letters]]|issue=1|doi=10.1086/427067|volume=617|pages=L37–L40|arxiv=astro-ph/0411101|bibcode=2004ApJ...617L..37H}}</ref> 2007年，皮埃爾・奧格天文台觀測到EECR與附近星系中心的河外超大質量黑洞（叫做[[活动星系核|活躍星系核]]）具有關聯性。<ref name="PAO2007">
{{Cite journal|title=Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects|last=The Pierre Auger Collaboration|authorlink=Pierre Auger Observatory|last2=Abreu|date=2007|journal=[[Science (journal)|Science]]|issue=5852|doi=10.1126/science.1151124|volume=318|pages=938–943|arxiv=0711.2256|bibcode=2007Sci...318..938P|pmid=17991855|laydate=Arisaka|last3=Aglietta|last4=Aguirre|last5=Allard|last6=Allekotte|last7=Allen|last8=Allison|last9=Alvarez}}</ref> 然而，隨著持續的觀察，兩者關聯性的強度變得越來越弱。雖然最新的結果顯示這些EECR中似乎只有不到40％来自AGN，其相关性比以前报道的要弱得多，<ref name="Cosmic-ray theory unravels" />但[[活动星系核|活躍星系核]]磁層中[[加速度的離心機制]]也可以解釋極高的能量<ref>{{Cite journal|title=Extremely efficient Zevatron in rotating AGN magnetospheres|last=Osmanov|first=Z.|last2=Mahajan|first2=S.|journal=Monthly Notices of the Royal Astronomical Society|issue=4|doi=10.1093/mnras/stu2042|year=2014|volume=445|pages=4155–4160|arxiv=1404.3176v3|last3=Machabeli|first3=G.|last4=Chkheidze|first4=N.}}</ref> 。 格里布（Grib）和帕夫洛夫（Pavlov）（2007，2008）的提出一個更具推測性的建議，是設想超重[[暗物质|暗物質]]通過[[潘羅斯過程]]的衰變 。

== 觀測史 ==
1962年，[[约翰·林斯利|約翰・D・林斯利]]（John D Linsley）博士和利維奥・斯卡西（Livio Scarsi）博士在新墨西哥州的[[火山牧场实验|火山牧場實驗]]中首次觀察到能量超過{{Val|1.0|e=20|u=eV}}（16 J）的宇宙射线粒子。<ref>
{{Cite journal|title=Evidence for a Primary Cosmic-Ray Particle with Energy 10<sup>20</sup> eV|url=https://archive.org/details/sim_physical-review-letters_1963-02-15_10_4/page/n25|last=Linsley|first=J.|date=1963|journal=[[Physical Review Letters]]|issue=4|doi=10.1103/PhysRevLett.10.146|volume=10|pages=146–148|bibcode=1963PhRvL..10..146L}}</ref> <ref>{{Cite web|title=Could the end be in sight for ultrahigh-energy cosmic rays?|url=http://physicsworld.com/cws/article/print/9750|accessdate=2014-07-21|author=Sakar|date=1 September 2002|first=S.|work=[[Physics World]]|pages=23–24|archive-date=2010-04-12|archive-url=https://web.archive.org/web/20100412003011/http://physicsworld.com/cws/article/print/9750|dead-url=no}}</ref> 

從那之後，人們就觀測到具有更高能量的宇宙射線粒子。 其中包括1991年10月15日晚上，在猶他州[[杜格威试验场|Dugway試驗場]]上 ，由猶他大學的「蒼蠅眼」（Fly's eye）實驗觀察到的[[哦，我的上帝粒子|Oh-My-God粒子]] 。該次觀測結果震驚了[[天体物理学|天文物理學家]] ，他們估算其能量約为{{Val|3.2|e=20|u=eV}}（50 J）<ref>{{Cite web|title=Open Questions in Physics|url=http://www.desy.de/user/projects/Physics/General/open_questions.html|accessdate=2014-07-21|author=Baez|date=July 2012|first=J. C.|publisher=[[DESY]]|archive-date=2019-02-04|archive-url=https://web.archive.org/web/20190204014021/http://www.desy.de/user/projects/Physics/General/open_questions.html|dead-url=no}}</ref> ——換句話說， [[原子核]]的動能相當於以時速100公里（時速60英里）飛行的[[棒球 (球)|棒球]]（142克或5盎司）。

== 超高能宇宙射線天文台 ==

== 可能的解釋 ==

=== 中子星 ===

=== 活躍星系核 ===
UHECR與[[蓝移|藍移]]的[[宇宙微波背景|宇宙微波背景辐射]]會發生相互作用，這限制了UHECR在失去能量之前可以行進的距離；這就是[[GZK極限|Greisen–Zatsepin–Kuzmin極限]]（[[GZK極限]]）。 

=== 其他可能來源 ===
UHECR的其他可能來源是： 

* 強大的[[電波星系]]的無線電波瓣（radio lobes） 
* 在星系形成時期產生的星系間衝擊波 
* [[極超新星|超新星]] <ref name="2007PhRvD..76h3009W">
{{Cite journal|title=High-energy cosmic rays and neutrinos from semirelativistic hypernovae|last=Wang|first=X.-Y.|last2=Razzaque|first2=S.|date=2007|journal=[[Physical Review D]]|issue=8|doi=10.1103/PhysRevD.76.083009|volume=76|pages=083009|arxiv=0705.0027|bibcode=2007PhRvD..76h3009W|last3=Meszaros|first3=P.|last4=Dai|first4=Z.-G.}}</ref> 
* 相對論[[超新星]] <ref name="2011NatCo...2E.175C">
{{Cite journal|title=Ultra-high-energy cosmic ray acceleration in engine-driven relativistic supernovae|last=Chakraborti|first=S.|last2=Ray|first2=A.|date=2011|journal=[[Nature Communications]]|doi=10.1038/ncomms1178|volume=2|pages=175|arxiv=1012.0850|bibcode=2011NatCo...2..175C|pmid=21285953|last3=Soderberg|first3=A. M.|last4=Loeb|first4=A.|last5=Chandra|first5=P.}}</ref> 
* [[伽玛射线暴|伽馬射線暴]] <ref name="1995PhRvL..75..386W">
{{Cite journal|title=Cosmological Gamma-Ray Bursts and the Highest Energy Cosmic Rays|last=Waxman|first=E.|date=1995|journal=[[Physical Review Letters]]|issue=3|doi=10.1103/PhysRevLett.75.386|volume=75|pages=386–389|arxiv=astro-ph/9505082|bibcode=1995PhRvL..75..386W|pmid=10060008}}</ref> <ref name="1995ApJ...449L..37M">
{{Cite journal|title=Possible Association of Ultra–High-Energy Cosmic-Ray Events with Strong Gamma-Ray Bursts|last=Milgrom|first=M.|last2=Usov|first2=V.|date=1995|journal=[[The Astrophysical Journal Letters]]|doi=10.1086/309633|volume=449|pages=L37|arxiv=astro-ph/9505009|bibcode=1995ApJ...449L..37M}}</ref> 
* [[拓扑缺陷|拓撲缺陷]]產生的超大規模粒子的衰變產物，是早期宇宙相變留下的產物 
* 經歷[[潘羅斯過程|潘羅斯效應]]的粒子 
* [[先子星]] <ref name="Phys.Lett.B616,1(2005">
{{Cite journal|title=Preon stars: a new class of cosmic compact objects|last=Hansson|first=J|last2=Sandin|first2=F|date=2005|journal=[[Physics Letters B]]|issue=1–2|doi=10.1016/j.physletb.2005.04.034|volume=616|pages=1–7|arxiv=astro-ph/0410417|bibcode=2005PhLB..616....1H}}</ref> 

=== 與暗物質的關係 ===
根據推測，活躍星系核能將暗物質轉化為高能質子。 聖彼得堡亞歷山大・弗里德曼理論物理實驗室的尤里・帕夫洛夫（Yuri Pavlov）和安德烈・格里布（Andrey Grib）推測，暗物質粒子的質量約為質子＝的15倍，而且它們可以分解為成對、與普通物質相互作用的較重虛粒子。 <ref>
{{Cite journal|title=Active galactic nuclei and transformation of dark matter into visible matter|last=Grib|first=A. A.|last2=Pavlov|first2=Yu. V.|date=2009|journal=[[Gravitation and Cosmology]]|issue=1|doi=10.1134/S0202289309010125|volume=15|pages=44–48|arxiv=0810.1724|bibcode=2009GrCo...15...44G}}</ref> 如[[潘羅斯過程]]所描述的，這些粒子之一可能靠近活躍星系核，而另一个則逃逸。 那些粒子當中有會與入射的粒子碰撞；根據帕夫洛夫的說法，這是能量非常高的碰撞，可以形成具有高能量的一般可見的質子。 帕夫洛夫又宣稱，這種過程的證據就是超高能宇宙射線粒子。 <ref>
{{Cite journal|title=Do Active Galactic Nuclei Convert Dark Matter Into Visible Particles?|last=Grib|first=A. A.|last2=Pavlov|first2=Yu. V.|date=2008|journal=[[Modern Physics Letters A]]|issue=16|doi=10.1142/S0217732308027072|volume=23|pages=1151–1159|arxiv=0712.2667|bibcode=2008MPLA...23.1151G}}</ref> 超高能宇宙射線粒子也可能是由超重暗物質「X粒子」（例如[[黑洞子]]）的衰變而產生的。 <ref>
{{Cite journal|title=Dark matter and stable bound states of primordial black holes|last=Chavda|first=L. K.|last2=Chavda|first2=A. L.|date=2002|journal=[[Classical and Quantum Gravity]]|issue=11|doi=10.1088/0264-9381/19/11/311|volume=19|pages=2927–2938|arxiv=gr-qc/0308054|bibcode=2002CQGra..19.2927C}}</ref>  這種能量甚高的衰變產物攜帶著X粒子質量的一部分，被認為合理解釋了我們觀察到的超高能宇宙射線。 

== 參見 ==

* [[河外宇宙射線]]
* [[哦，我的上帝粒子|Oh-My-God粒子]]——出乎意料的超高能宇宙射線

== 參考文獻 ==
{{Reflist|30em}}

== 延伸閱讀 ==

* {{Cite journal|title=In search of a source for the 320 EeV Fly's Eye cosmic ray|url=https://archive.org/details/sim_astrophysical-journal_1995-03-01_441_1/page/n154|last=Elbert|first=J. W.|last2=Sommers|first2=P.|date=1995|journal=[[The Astrophysical Journal]]|issue=1|doi=10.1086/175345|volume=441|pages=151–161|arxiv=astro-ph/9410069|bibcode=1995ApJ...441..151E}}
* {{Cite book|last=Clay|first=R.|last2=Dawson|first2=B.|date=1997|title=Cosmic Bullets: High Energy Particles in Astrophysics|url=https://archive.org/details/cosmicbulletshig0000clay_l9x4|publisher=[[Perseus Books]]|isbn=978-0-7382-0139-9}}
* {{Cite journal|title=Fly's Eye Spies Highs in Cosmic Rays' Demise|last=Seife|first=C.|date=2000|journal=[[Science (journal)|Science]]|issue=5469|doi=10.1126/science.288.5469.1147a|volume=288|pages=1147–1149|pmid=10841723}}
* {{Cite journal|title=Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects|last=The Pierre Auger Collaboration|authorlink=Pierre Auger Observatory|last2=Abreu|date=2007|journal=[[Science (journal)|Science]]|issue=5852|doi=10.1126/science.1151124|volume=318|pages=938–943|arxiv=0711.2256|bibcode=2007Sci...318..938P|pmid=17991855|laydate=Arisaka|last3=Aglietta|last4=Aguirre|last5=Allard|last6=Allekotte|last7=Allen|last8=Allison|last9=Alvarez}}

== 外部連結 ==

* [http://www.cosmic-ray.org/reading/flyseye.html#SEC10 The Highest Energy Particle Ever Recorded]{{Wayback|url=http://www.cosmic-ray.org/reading/flyseye.html#SEC10 |date=20090815102123 }} The details of the event from the official site of the Fly's Eye detector.
* John Walker's lively [http://www.fourmilab.ch/documents/OhMyGodParticle/ analysis of the 1991 event]{{Wayback|url=http://www.fourmilab.ch/documents/OhMyGodParticle/ |date=20200516175741 }}, published in 1994
* ''[http://www.bioedonline.org/news/news-print.cfm?art=1509 Origin of energetic space particles pinpointed]{{Wayback|url=http://www.bioedonline.org/news/news-print.cfm?art=1509 |date=20200516141821 }}'', by Mark Peplow for news@nature.com, published January 13, 2005.

[[Category:亚原子粒子]]
[[Category:粒子物理学]]
[[Category:宇宙線]]
[[Category:天文學中未解決的問題]]
[[Category:无法解释现象]]