宇宙線的起源和傳播
正文
宇宙線的起源通常指宇宙線中的主要成分──各種原子核的發射和加速過程。宇宙線在空間中的運動和分布，屬於宇宙線的傳播問題。宇宙線的起源和傳播問題是彼此密切相關的:加速和傳播階段不能截然劃分開;相當一部分初級宇宙線原子核產生於傳播過程中。宇宙線的起源和傳播是高能天體物理學中一個重要的問題。宇宙線是各種天體演化過程的產物，特別是各種高能天體物理過程的產物，攜帶著這些過程的豐富信息。
但是，宇宙線起源和傳播的研究有許多困難：首先由於宇宙線帶電粒子在星際空間傳播過程中受到磁場的偏轉,人們無法直接探知它們在空間的分布,只能由宇宙線在運動和作用過程中發射出的射電波、X 射線和γ射線間接地推斷它們的存在。宇宙線在傳播過程中，還同星際物質作用，不斷改變其能量和組成，觀測到的初級宇宙線成分和能譜，是由原始起源與傳播過程共同決定的。從地球附近初級宇宙線推斷產生源處原始宇宙線的情況，必須考慮宇宙線在傳播過程中同星際物質的作用以及地球和太陽系磁場的調製,由射電、X射線和γ射線觀測推斷銀河系內宇宙線粒子分布，也必須了解星際介質的分布情況；但是人們對於太陽系磁場和一些重要的星際介質（如星際氫分子）的認識還只是剛剛開始。此外，隨著初級宇宙線觀測的進展，現有核物理和高能物理知識（如原子核反應截面、長壽命放射性核素的衰變壽命和分支比）的不足，已越來越成為限制人們了解原始宇宙線的重要原因。
宇宙線高能粒子應起源於各種高能天體或天體高能過程。太陽和其他恆星表面的高能活動、超新星爆發、脈衝星、類星體和活動星系等，都可能是宇宙線源。目前人們普遍認為大多數宇宙線粒子起源於銀河系內。太陽耀斑爆發等高能過程伴隨著粒子的發射，但這種太陽活動只能產生太陽系空間宇宙線粒子的一個小部分，而且太陽粒子平均能量僅數十兆電子伏，大部分宇宙線應來自太陽系之外。銀河系普通恆星的粒子發射只能產生銀河系內宇宙線粒子的一個微不足道的部分，大部分宇宙線應產生於比普通恆星活動更劇烈的過程。
超新星爆發是銀河系內最猛烈的高能現象。銀河系超新星爆發的平均能量輸出可以滿足維持銀河宇宙線能量密度的需要。蟹狀星雲等超新星遺蹟強烈發射高度偏振的非熱射電輻射，它們應當是高能電子在磁場中的同步輻射。超新星遺蹟中存在著大量的高能電子，應當是宇宙線高能電子的發源地。人們普遍構想超新星爆發及其遺蹟也應當發射高能原子核，成為宇宙射線的主要來源。宇宙線中氫和氦核的相對豐度較太陽系或銀河系平均豐度小，表明宇宙線原子核可能來自恆星演化過程的晚期。宇宙線中重元素（例如Z＞60）較多,它們可能是超新星爆發條件下快速中子俘獲過程（γ過程）的產物。宇宙線中一些元素的豐中子同位素較多，也表明宇宙線可能起源於超新星爆發形成的豐中子環境中。但是，迄今並無直接的證據說明超新星及其遺蹟發射高能原子核。超新星爆發所釋放的能量如何轉化為粒子的動能，以及從很多超新星這樣的分立源如何能形成宇宙線粒子的冪律能譜，都是超新星起源模型所面臨的困難。對於初級宇宙線元素豐度的新近測量結果的分析表明，原始宇宙線重元素的相對豐度分布接近於太陽系的分布，與γ過程預期的分布差別甚大，也同超新星起源模型不一致。
E.費密曾於1949年提出宇宙線在星際介質中統計加速的機制：帶電粒子在同隨機運動的磁場不斷地碰撞中得到加速。費密加速機制可以解釋宇宙線的冪律能譜。但是,費密機制要求粒子另有初始加速過程,要求有足夠的能量供給星際介質中磁場的運動；同時費密機制不利於加速重原子核,難以解釋觀測到的宇宙線豐度分布。近來的X射線觀測發現，超新星遺蹟中至少在104年記憶體在著強烈的激波。理論分析表明，星際介質中的激波可以有效地加速宇宙線粒子，而且可以產生冪律能譜。由超新星爆發等高能活動引起的較強烈的激波在星際空間高溫稀薄氣體中可能傳播足夠長的路程，使激波加速機制可能有效地加速宇宙線粒子。但是，近來發現原始宇宙線元素豐度分布與原子第一電離能密切相關：第一電離能愈低的元素，原始宇宙線豐度與太陽豐度之比愈大。所以，宇宙線起源和加速區域的溫度不能太高(＜104開)，使超新星爆發和高溫氣體中的加速機制遇到了困難。X射線天文觀測發現，銀河系中為數眾多的晚期恆星(K型和M型矮星)雖然光輻射微弱，但X射線發射和耀斑活動(從而粒子發射)的高能過程卻仍然很活躍,因而可能是宇宙線的重要發源地。但它們發射出的粒子如何進一步得到加速，也是一個沒有解決的問題。
銀河系內產生的高能宇宙線粒子，如果自由地在空間中傳播，則應在103～104年時間內飛出銀河系。由初級宇宙線元素相對豐度推得宇宙線粒子平均穿過的物質厚度約為5克／厘米2，而銀盤中星際氣體的平均密度約為1氫原子／厘米3，則宇宙線在銀盤中的平均滯留時間約3×106年，比自由粒子穿越銀盤的時間長得多。所以星際空間中宇宙線粒子不是自由地傳播而是在非均勻分布的星際介質中擴散，並且可能在銀河系邊界處受到反射。從初級宇宙線中一些長壽命同位素（如10Be）相對豐度推得的宇宙線平均壽命 (塼107年)比在銀盤中的滯留時間長，所以銀河宇宙線粒子在其壽命內的大部分時間中可能是在圍繞銀盤的某個物質稀薄的區域──宇宙線暈中傳播的。
目前人們關於銀河系的知識和對宇宙線的觀測，還不足以構成和判斷細緻的宇宙線傳播模型。在處理與宇宙線傳播效應有關的問題（例如從初級宇宙線組成和能譜推斷原始宇宙線的組成和能譜）時，常採用一些簡化的穩態傳播模型，例如漏箱模型。漏箱模型假定銀河系內宇宙線粒子密度不隨時間和地點變化，宇宙線粒子在銀河系內擴散，通過邊界以一定的機率緩慢地向銀河系外泄漏。
雖然自60年代以來,隨著初級宇宙線以及射電、X射線和γ射線天文觀測的進展，人們對於宇宙線起源和傳播的認識在不斷深入,但由於問題的複雜性,迄今尚未能得到較為滿意的模型。人們對於極高能量宇宙線的了解就更少了；即使對於這部分宇宙線的成分，都還缺乏任何明確的認識。銀河系磁場不能貯存能量高於 1018電子伏的粒子，銀河系內起源的極高能粒子應當呈現高度的各向異性;但能量高於1018電子伏宇宙線粒子方向的各向異性度揥10％,而且較多的粒子並非來自銀河系中心,所以極高能宇宙線粒子可能起源於銀河系外。由於河外星系的空間密度很低，河外區域必須存在比銀河系強大得多的宇宙線粒子源，才能解釋觀測到的極高能宇宙線粒子流。
