把牛奶倒进咖啡,不搅,会看到一团团白雾贴着杯壁打转;用勺子搅几下,整杯很快就均匀了。均匀不等于原来没有结构,只说明混合过程把结构抹掉了。宇宙线的天空也是这样:它看起来四面八方一样亮,恰恰说明粒子在路上被磁场搅了很久——尺度大到以光年计的搅拌。
10 TeV 量级的宇宙线各向异性只有约 10⁻³ 到 10⁻⁴,而 8 EeV 以上出现了幅度约 6.5×10⁻³ 的偶极,方向指向银河系之外;前者被银河系磁场搅匀,后者因为回旋半径涨到千秒差距量级,总算保住了原始方向的痕迹。
各向同性不是源分布均匀,是走路走歪了
银河系里的加速器集中在银盘,超新星遗迹、脉冲星风云都贴着盘面分布。如果粒子直线飞行,天空应该有一条明显的亮带。
实际测到的却是近乎均匀的一片。差别只能出在路上:带电粒子被磁场反复偏转,出发方向的信息在漫长行程中被彻底打乱。
十 TeV 的天空只剩千分之一的起伏
这个能段是地面阵列和中微子望远镜都能覆盖的重叠区。测到的相对起伏在千分之几量级,还带一些几十度尺度的小结构。
起伏虽小,方向却不是随机的:某些区域持续偏亮,且与银河系磁场模型的预期位置有一定对应。这说明完全均匀的说法不成立,只是扰动幅度被压得很低。
EeV 以上的偶极,指向银河系之外
能量升到 8 EeV,质子在 1 μG 磁场中的回旋半径约 8 千秒差距,已经超过磁场的相干长度。粒子不再被牢牢束缚,只受一次次小角度散射。
Auger 在这个能段测到幅度约 6.5×10⁻³ 的偶极,方向大致指向银经 233°、银纬 -13°。这个方向背离银心,与河外源主导的图像相容。
方向信息只在最高能端才部分恢复
把各向异性幅度对能量画出来,会看到一条先降后升的曲线:低能端被调制和磁场抹平,中间最低,到了 EeV 以上又重新抬头。
这条曲线的形状本身就是证据。它说明「各向同性」不是宇宙线的本性,而是传播过程的结果;能量越高,磁场越拉不住粒子,天空就越接近源的真实分布。
| 参数 | 数值 | 口径与来源 |
|---|---|---|
| 10 TeV 各向异性幅度 | 约 10⁻³ | IceCube 观测 |
| 8 EeV 以上偶极幅度 | 约 6.5×10⁻³ | Auger 2017 |
| 偶极方向 | 银经约 233°,银纬约 -13° | Auger 2017 |
| 银河系磁场强度 | 约 3 μG | 观测,量级 |
| 磁场相干长度 | 约 100 pc | 观测,量级 |
| 8 EeV 质子回旋半径 | 约 8 kpc(B=1 μG) | 由刚度公式估算 |
哪些是观测,哪些还是推断
常见问题
因为它是唯一能绕开磁场、指向源方向的通道。幅度小,但方向信息是真的,配合中微子可以把候选源缩小到区域级别。
目前还不行。现在的结果只能到「某个方向偏亮」的程度,热点与已知天体的对应关系仍不唯一。
回旋半径随能量增大。能量低时粒子被磁场困住,方向全乱;能量高到回旋半径远超相干长度,偏转就变成小角度修正。
延伸阅读
- Pierre Auger Collaboration 2017, Observation of a large-scale anisotropy in the arrival directions of cosmic rays above 8×10¹⁸ eV, Science 357, 1266
- IceCube Collaboration 2012, Observation of Anisotropy in the Arrival Directions of Cosmic Rays at TeV to PeV Energies, Astrophysical Journal 746, 33
- Particle Data Group, Cosmic Rays 综述章节(pdg.lbl.gov)