一种常见的宇宙现象,困扰科学家几十年,至今仍然是未解的谜团

浩瀚的宇宙有着太多的神秘,其中有不少的现象都很难对其进行合理的解释,比如说有一种常见的宇宙现象,就困扰科学家几十年,至今仍然是未解的谜团,什么现象呢?答案就是宇宙射线。

一种常见的宇宙现象,困扰科学家几十年,至今仍然是未解的谜团

所谓宇宙射线,是指来自外太空的高能粒子,它们通常都是极为微小的亚原子粒子。地球的大气层每天都会遭到宇宙射线的轰击,如果宇宙射线的能量很高,那么它们就会与地球大气层发生剧烈的相互作用,进而产生一系列的次级粒子,这种现象就被称为“空气簇射”,通过对其进行探测和分析,科学家就可以知道这些宇宙射线的能量和方向。

在过去的几十年里,科学家对宇宙射线进行了大量的探测,令人困扰的是,在已知的宇宙射线中,有一部分的能量特别高,以至于无法对其进行合理的解释。

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例如在1991年10月15日探测到的一个粒子,其速度达到了光速的0.9999999999999999999999951倍,能量高达3.2 x 10^20eV(电子伏特),大概相当于一个棒球以每小时100公里的速度飞行时携带的动能。

如此高的能量,远远地超出了理论上的极限——“GZK极限”,也使得这个粒子成为了已知能量最高的宇宙射线,为了表示惊讶,科学家甚至将其称为“Oh-My-God粒子”(Oh-My-God particle)。

什么是“GZK极限”呢?这就要从“宇宙微波背景”讲起了。简而言之,“宇宙微波背景”是一种遍布整个宇宙的电磁辐射,它们被认为是宇宙中最古老的光子,由于光速是有限的,因此它们至今仍然在宇宙中传播,而在经过了漫长的时间之后,它们现在已经因为宇宙的膨胀而变成了微波。

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从整体上来看,“宇宙微波背景”的光子在宇宙空间中的分布是非常均匀的,其密度大约为每立方米4.11亿个,而这也就意味着,任何在宇宙空间中运动的粒子,都会不断地遇到“宇宙微波背景”的光子。

在能量不是很高的情况下,粒子和“宇宙微波背景”的光子是彼此相安无事的,但假如一个粒子的能量达到了或超过了一个被称为“GZK极限”的临界值,那它就会与“宇宙微波背景”的光子发生相互作用,此过程会不断地产生π介子,从而持续地使粒子损失能量,并且粒子的能量越高,其损失能量的速度就越快。

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也就是说,如果一个粒子的能量超过了“GZK极限”,那在其传播过程中,它就会持续地损失能量,如此一来,在传播到一定的距离之后,它的能量就低于“GZK极限”了,而这也就意味着,我们只能在一定的距离范围内,观测到能量超过“GZK极限”的宇宙射线。

根据科学家的计算,“GZK极限”的理论值为5 x 10^19eV,而如果一个粒子的发射源与地球的距离大于50百万秒差距(约1.63亿光年),那无论它的初始能量有多大,当它抵达地球时,其能量都不可能超过这个理论值。

可以看到,前面讲到的“Oh-My-God粒子”,其能量已经远远地超过了“GZK极限”,而这也就意味着,从理论上来讲,它的发射源与地球的距离应该远远小于50百万秒差距,然而实际观测却表明,在这个距离范围内,根本就没有对应的发射源。

要知道像这种具有超高能量的粒子,只能由超新星爆发、活动星系核、伽玛射线暴这类的高能宇宙事件产生,而这些事件会在宇宙中制造出非常大的动静,以至于即使隔着几亿、几十亿光年,我们都可以探测得到。

一种常见的宇宙现象,困扰科学家几十年,至今仍然是未解的谜团

也就是说,实际观测数据表明,“Oh-My-God粒子”的发射源其实更加遥远,远远地超过了50百万秒差距,而从理论上来讲,当它抵达地球上,其能量就应该低于“GZK极限”,但实际探测数据却表明,它的能量却远远地超过了“GZK极限”,于是矛盾就产生了。

更重要的是,“Oh-My-God粒子”并不是一个孤例,实际上,这是一种常见的宇宙现象,因为在过去的日子里,科学家已经发现了不少与之类似的宇宙射线,尽管它们的能量比“Oh-My-God粒子”略低,但也超过了“GZK极限”很多。

理论上我们无法探测到的宇宙射线,但实际上我们却真实地探测到了,这样就形成了一个悖论,科学家将其称为“宇宙射线悖论”或“GZK悖论”。就目前的情况来看,这个悖论已经困扰了科学家几十年,至今仍然是一个未解的谜团,期待在未来的研究中,科学家能够解开这个谜团。


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宇宙:宇宙职业选手

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