超新星遗迹能把粒子推到 PeV，靠的是反复穿越激波

拿乒乓球对着墙打，球每次弹回的速度都差不多，手臂几乎不用加力。如果墙朝你快速推过来，同一个动作，球在接触瞬间的相对速度更大，回弹就会明显更快——这是最朴素的能量增益。宇宙线在激波里获得的能量，本质上是同一件事，只是那面「墙」是等离子体，速度达到每秒几千公里。

扩散激波加速让带电粒子在激波上下游之间反复穿越，每穿越一次获得约 β 比例的能量（β 为激波速度除以光速，典型 0.01–0.1）；强激波的理论谱指数接近 -2，而观测到的 -2.7，差的那一段主要由传播过程补上。

粒子不用被推，来回穿两次就赚了能量

激波两侧的等离子体都在流向激波面，但速度不同。粒子被两侧的磁湍流散射，来回穿越界面，每次从上游到下游、再从下游回到上游，都是逆着流向走，净赚一点能量。

关键在于「迎面」。迎面碰撞时增益正比于 β，追尾时只有 β² 量级，两者相差一到两个数量级。这也是激波加速比随机云团加速快得多的原因。

在测试粒子近似下，能谱是幂律，指数 p = (r+2)/(r-1)，r 是上下游速度之比，也就是压缩比。强激波 r ≈ 4，代入得 p = 2。

这个结果几乎不依赖磁场细节与粒子种类，只依赖 r。源区谱指数被推断在 -2.2 到 -2.4，经传播变陡到 -2.7，差额与扩散逃逸模型相符。

把粒子关在半径 R、磁场 B 的「盒子」里，它能达到的最大能量约为 E ≈ Z e B R β。超新星遗迹的 R 是几个秒差距，B 是几 μG，β 约 0.01，算出来落在 10¹⁴ 到 10¹⁵ eV。

要够到 PeV，至少得有一项超标：更快的激波、更强的磁场，或者更长的驻留时间。磁场放大机制正是为此提出——激波上游的粒子回流会激发不稳定性，把磁场抬到几百 μG。

LHAASO 在 2021 年公布了一批能量超过 0.1 PeV 的伽马源，说明银河系里确实存在能把粒子推到 PeV 量级的加速器。但伽马源不等于质子源，电子也能发出同样的伽马射线。

要分清，得看伴随的中性 π 介子信号、中微子，以及源区气体密度。多数遗迹的年龄与磁场组合达不到 PeV，能达标的只是少数年轻、膨胀快的对象。

观测证实超新星遗迹是 GeV 到 TeV 的伽马源；X 射线图像里的细条纹显示强磁场与高能电子；宇宙线能谱指数实测为 -2.7。

理论预言强激波给出 -2 的谱指数、磁场会被放大、X 射线亮度随磁场增强。这些是先算后测、可以被证伪的结论。

尚未定论PeV 质子是否主要来自超新星遗迹；磁场放大到底能到多强；膝以上的成分与源类型。这些问题目前的观测还不足以定案。

为什么一定要磁场放大？

按常规的几 μG 算，遗迹的上限只有 10¹⁴ eV 量级，比膝低一个量级。要把粒子推到 PeV，磁场得到几十到几百 μG，而这一步目前只有间接证据。

超新星遗迹真的能到 PeV 吗？

少数年轻遗迹在模型里可以，观测上的直接证据还不完整。伽马射线能定源的位置和能量，却难单独证明里面跑的是质子。

它和费米加速是什么关系？

扩散激波加速就是一阶费米机制在激波中的具体实现：粒子在两侧流体的「镜子」之间来回反射，每次都是迎面碰撞。