科学家破解银河宇宙射线中的高能重元素之谜

科学家们利用美国西南研究院（SwRI）领导的磁层多尺度任务(MMS)的数据来解释银河宇宙射线（GCR）中存在的高能重元素。 银河系宇宙射线是由快速移动的高能粒子组成的，大部分是称为质子的氢离子，是宇宙中最轻和最丰富的元素。科学家们长期以来一直在争论GCR中的微量重离子是如何被加速的。

垂死的恒星的超新星爆炸产生巨大的冲击波，在周围的空间传播，将其路径上的离子加速到非常高的能量，形成GCR。重离子如何被激发和加速是很重要的，因为它们影响了整个宇宙中质量的重新分配，对于形成更重的、化学上更复杂的元素是必不可少的。它们还影响到我们对天体物理结构的感知方式。

“重离子被认为对传入的冲击波不敏感，因为它们的数量较少，而冲击能量绝大部分被占优势的质子所消耗。想象一下站在沙滩上，波浪移动你脚下的沙子，而你却留在原地，”SwRI的Hadi Madanian博士说，他是发表在《天体物理学杂志》上关于这项研究论文的主要作者。“然而，关于重离子在冲击条件下的行为的主流观点并不总是我们在对近地空间环境的高分辨率MMS观测中所看到的。”

冲击现象也发生在近地环境中。太阳的磁场被超音速的太阳风带过行星际空间，太阳风被地球的磁层阻挡和转移，磁层是我们母星周围的保护“气泡”。这个相互作用的区域由于其弯曲的形状而被称为“弓形冲击”。地球的弓形震荡形成的规模比超新星震荡小得多。然而，在某些时候，这种小型冲击的条件与超新星残余物的条件相似。研究小组利用MMS航天器在弓形冲击的高分辨率原位测量，研究重离子是如何被加速的。

“我们观察到弓形冲击附近磁场的强烈放大，这是一个与超新星残骸等强冲击有关的已知特性。然后我们分析了不同的离子种类在遇到弓形冲击时是如何表现的，“Madanian说。“我们发现，这些增强的场明显地改变了重离子的轨迹，将它们重新导向冲击的加速区。”

虽然这种行为没有预期会发生在重离子上，但研究小组在α粒子中发现了这个过程的直接证据，这些氦离子的质量是质子的四倍，电荷是质子的两倍。

“MMS 观测的卓越分辨率让我们对冲击波如何激发重元素有更清晰的了解。我们将能够利用这种新的理解来改进我们在天体物理冲击下宇宙射线加速的计算机模型，“这篇论文的共同作者、伦敦玛丽女王大学的数学和天文学教授David Burgess说。“新的发现对宇宙射线的组成和观察到的天体物理结构的辐射光谱有重大影响。”