每秒约有一百万亿个中微子从遥远的黑洞等宇宙源头穿过我们的身体，这些来自外太空的高能粒子自1912年被发现以来，其起源一直是天体物理学界最大的未解之谜。如今，密歇根州立大学的最新研究正将科学家们带向这个百年谜题的答案边缘，他们成功识别出了被称为"PeVatrons"的宇宙终极粒子加速器，为揭开宇宙射线的诞生机制铺平了道路。
宇宙射线是以接近光速在太空中穿行的高能粒子，主要由质子和原子核组成。这些粒子的能量如此之高，远远超过了地球上最先进人造粒子加速器所能达到的水平。它们起源于银河系内外最极端的宇宙环境，包括黑洞周围的强磁场区域、恒星爆炸后形成的超新星遗迹，以及正在孕育新恒星的高能区域。
密歇根州立大学物理和天文学助理教授张硕领导的研究团队，通过两项突破性研究为宇宙射线的起源问题提供了全新视角。这些研究成果在阿拉斯加安克雷奇举行的美国天文学会第246次会议上公布，标志着人类对宇宙中最神秘现象之一的理解取得了重大进展。
发现宇宙中的超级加速器

宇宙射线是高能粒子，主要是质子和原子核，它们以接近光速在太空中传播，并不断从遥远的宇宙源轰击地球。尽管它们在一个多世纪前被发现，但它们的起源在很大程度上仍然未知。新的研究使科学家们更接近确定这些强大粒子的诞生地点以及它们如何获得如此极端的能量。图片来源：SciTechDaily.com
研究团队将注意力集中在被称为PeVatrons的天然宇宙加速器上。这些宇宙结构能够将粒子加速到拍电子伏特级别的极端能量，其威力远超人类现有的任何技术手段。通过深入研究这些宇宙加速器的位置、构成和工作机制，科学家们希望揭示宇宙射线如何获得如此惊人的能量。
在第一项研究中，张硕团队的博士后研究员斯蒂芬·迪克比重点调查了大型高空空气簇射观测站发现的一个神秘PeVatron候选体。该观测站位于中国四川省海拔4410米的海子山，是目前世界上海拔最高、规模最大的宇宙射线观测站之一。
通过分析XMM-牛顿太空望远镜获得的X射线数据，迪克比成功识别出了一个脉冲星风星云——这是一个由高速旋转的中子星产生的膨胀气泡结构，内部充满了相对论性电子和脉冲星注入的巨大能量。这一发现具有重大意义，因为它首次将这个特定的PeVatron确定为脉冲星风星云类型的宇宙射线源，使其成为科学家能够明确识别其本质的少数PeVatron案例之一。
脉冲星是恒星在生命末期发生超新星爆炸后留下的致密天体，其密度极高，一茶匙脉冲星物质的重量相当于整座珠穆朗玛峰。这些天体自转速度极快，可以每秒旋转数百次，同时产生强大的磁场，将带电粒子加速到极高能量。
学生主导的科学前沿探索

新发现的脉冲星风星云的 X 射线图像与极端银河宇宙射线源 1LHAASO J0343+5254u 相关，由 XMM-牛顿太空望远镜获得（DiKerby， Zhang， et al.， ApJ， 983， 21）。图片来源：XMM-牛顿太空望远镜
第二项研究展现了科学教育与前沿研究相结合的力量。张硕指导的三名密歇根州立大学本科生——埃拉·韦尔、阿米里·沃克和沙安·卡里姆——使用NASA的Swift X射线望远镜观测了多个鲜为人知的LHAASO宇宙射线源。
这些年轻的研究者通过计算X射线发射的上限值，为未来的深入研究奠定了基础。他们的工作虽然看似基础，但在科学研究中具有重要的探路者作用。正如许多重大科学发现一样，系统性的观测和数据收集往往是突破性发现的前提。
张硕对此表示："通过识别和分类宇宙射线源，我们的努力有望提供一个包含完整分类的宇宙射线源综合目录。这可以作为未来中微子天文台和传统望远镜对粒子加速机制进行更深入研究的宝贵遗产。"
多学科合作开辟新路径
这项研究的意义远远超出了单纯的天体物理学范畴。宇宙射线研究涉及粒子物理学、天体物理学、空间科学等多个学科的交叉融合，需要不同领域专家的密切合作。
张硕团队的下一步计划体现了这种跨学科合作的重要性。他们计划将南极洲IceCube中微子天文台收集的数据与X射线和伽马射线望远镜的观测结果相结合，深入探索一个关键问题：为什么某些宇宙射线源会发射中微子，而其他源头却不会？中微子又是在哪里以及如何产生的？
IceCube中微子天文台是目前世界上最大的中微子探测器，由埋在南极冰层下的5160个光学传感器组成，探测体积达一立方公里。这个巨大的探测器能够捕获从宇宙深处传来的高能中微子，为研究宇宙射线源提供了独特的视角。
中微子被称为"幽灵粒子"，因为它们几乎不与物质发生相互作用，可以轻易穿透整个地球。正是这种特性使得中微子成为研究宇宙射线源的理想信使，因为它们能够携带关于其诞生地的原始信息，不会在传播过程中被星际物质干扰。
宇宙射线研究的深远影响
宇宙射线研究不仅有助于我们理解宇宙中最极端的物理过程，还可能为解答更加根本的科学问题提供线索。例如，深入了解宇宙射线的产生机制可能有助于我们理解星系的演化过程，因为这些高能粒子在星际介质的加热和化学演化中发挥重要作用。
此外，宇宙射线研究还可能为暗物质这一宇宙学最大谜题之一的解答提供帮助。暗物质占据了宇宙总质量的约27%，但我们对其本质知之甚少。某些理论模型预测，暗物质粒子的湮灭或衰变可能产生高能宇宙射线和中微子，因此对这些粒子的精确观测和分析可能为暗物质的直接或间接探测提供重要线索。
从技术应用角度来看，宇宙射线研究推动了探测技术和数据分析方法的发展，这些技术往往能够在其他科学领域找到应用。例如，为了探测极其微弱的宇宙射线信号而开发的高灵敏度探测器技术，在医学影像、材料科学等领域都有重要应用价值。
随着下一代地面和空间望远镜的建设，包括计划中的切伦科夫望远镜阵列和各种X射线望远镜项目，宇宙射线研究将进入一个全新的时代。这些先进设备将提供前所未有的观测精度和敏感度，有望最终解开宇宙射线起源这一百年谜题。
张硕强调了这项工作的协作性质："这项工作将需要粒子物理学家和天文学家之间的合作。对于密歇根州立大学高能物理小组来说，这是一个理想的项目。"这种跨学科合作模式正成为现代科学研究的重要趋势，也是解决复杂科学问题的必由之路。