什么叫河内宇宙线？

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想要理解河内宇宙线，需要把这个词语拆成两个部分：河内，宇宙线。河内比较容易理解，就是产生于银河系内（galactic），而宇宙线（cosmic ray，或者缩写为CR）则比较复杂。

宇宙线的发现可以追溯到上个世纪初。在19世纪末期，人们一经发现了放射性元素的存在。因此那时候的人们认为，地球大气层的电离是由于地球内部的放射性元素导致的。如果真是这样，那么很容易想到，随着海拔的提高，大气电离度会减小。而在1912年，Victor Hess通过气球试验发现，地球大气的电离度随着海拔的增加而增加，这就意味着，电离地球大气的物质应该来源于地球之外。这些物质在随后被命名为宇宙线。Hess也凭借这一发现获得了1936年的诺贝尔物理学奖。现在我们知道，宇宙线的主要成分是质子和氦核，也包含了其他更重的原子核和少量的电子，中微子和介子，甚至反物质（正电子、反质子等）。

如果我们仔细观察宇宙线能谱，会发现一些有趣的现象。首先可以看到宇宙线的能量范围分布很广，从几百MeV一直延伸到100EeV，跨越了将近11个量级。如此巨大的能量分布，也意味着不同能量的宇宙线对应于不同的起源。可能大家对这些单位不太熟悉，在高能宇宙线的领域，我们一般用GeV等作为能量的单位。换一个比较形象的例子：假设网球的质量为56g，速度是40m/s，那么这个网球的动能就是45焦耳，差不多等于280EeV。也就是说，目前观测到的最高能的宇宙线拥有和网球一样的能量。微观粒子能拥有宏观物体的能量，想想就很刺激。

此外，不难发现宇宙线的能谱长得很像人的腿。在3PeV处，宇宙线能谱变软（变抖），就像人的膝盖一样弯了下来，这个地方被称为膝区。而在能量更高的4EeV处，能谱又突然变硬（变平），就像脚踝一样翘了起来，这个区域被称为踝区。 

我们知道磁场可以使得位于其中的带电粒子打转。在天文上，关于一个天体（比如银河系）能够将粒子加速到多大的能量，有一个所谓的Hillas条件：天体最多将粒子加速到其回旋半径等于天体的尺度。因为更高能量的粒子无法被磁场束缚在天体之中，就会逃逸出来，使得加速过程中断。简单来说，就是天体的磁场越强，尺度越大，就可以加速更高能量的粒子。根据银河系的磁场和尺度，就可以大致估算所能加速宇宙线的最大能量。尽管膝区与踝区之间的宇宙线起源目前还存在争议，目前比较公认的观点是，能量在膝区以下的宇宙线是由银河系内的源（主要是河内的超新星遗迹）产生的，即河内宇宙线；而能量位于踝区之上的宇宙线则是由银河系之外的源产生的。

河内宇宙线的成分

介绍完河内宇宙线，接下来介绍一下河内宇宙线的成分。河内宇宙线的主要成分是质子和氦核，也包含了其他更重的原子核（碳、氧、铁等等），也包含少量的电子以及更少量的正电子和反质子[2]。

一般认为河内宇宙线是大部分是由河内的超新星爆发加速产生的。我们知道恒星的一生都在“炼金”，通过核聚变将氢和氦变成更重的元素。恒星的质量越大，“炼金“的效果就越强，越容易产生更重的原子核。这些恒星会通过”自爆“的形式轰轰烈烈地结束自己的一生，成为银河系内最壮丽的烟火：超新星爆发。爆发产生的超新星遗迹会加速恒星内部的原子核，使其逃逸到星际空间中形成宇宙线。这些直接由超新星遗迹加速产生的宇宙线被称为初级宇宙线，我们观测到的大部分原子核以及电子都属于此。

那么我们究竟是如何知道这些粒子是初级宇宙线呢？太阳的元素丰度与银河系内大部分天体的元素丰度相一致。我们将宇宙线中各种元素的丰度与太阳进行比较，发现大部分元素的丰度与太阳的基本一致。

当然也存在个别例外。宇宙线中还存在一些元素，如锂、铍、硼，这些元素的丰度比太阳中的丰度高出了好几个量级。这些宇宙线被认为是由初级宇宙线在银河系里传播的时候与星际介质发生碰撞产生的。你可以理解为一个雪球打在石头上后碎成了几块更小的雪球。我们将这些宇宙线称之为次级宇宙线。

那么有人会问了，以上适用于原子核，那怎么知道电子主要是初级宇宙线呢？的确，判断电子是不是初级宇宙线的方法与原子核不太一样。想要知道电子为什么主要是作为初级宇宙线产生的，我们不得不提到正电子。正电子的形成有许多不同的途径，它既可以通过初级宇宙线在传播过程中与星际介质碰撞产生，也可以同过脉冲星、暗物质湮灭等直接产生。但不管是哪种途径，理论都要求在正电子形成的同时产生同样数目的电子。而我们观测到的数据却显示，宇宙线中电子的数量远大于正电子（参见下面这张图）。因此目前比较公认的观点是宇宙线电子也主要由超新星遗迹产生。

PS：这篇文章是将我之前在知乎上写的内容搬运了过来，我在知乎上的用户名是phoenix。如果有人碰巧在知乎上看到过这篇文章，我申明一下，这不是抄袭！

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