超高能宇宙射线

在粒子天文物理中，超高能宇宙射线（英语：ultra-high-energy cosmic ray，UHECR）是指能量高于1 EeV（1018电子伏特，相当约0.16焦耳）的宇宙射线，其能量远高于其他典型宇宙射线的静质量与能量。

极高能宇宙射线（英语：extreme-energy cosmic ray，EECR）是能量超过5×1019 eV（相当约8焦耳）的UHECR。5×1019 eV这个值即所谓GZK极限，指的是长距离行进（约1.6亿光年）的宇宙射线质子会因为宇宙微波背景（CMB）中光子的散射，导致能量有上限。因此，EECR不可能自早期宇宙就存在至今，而是宇宙学上较“年轻”的宇宙射线，而且因某种未知的物理过程而从本超星系团的某个位置发射出来。如果EECR不是质子，而是核子数为 ${\displaystyle A}$ 的原子核，那么GZK极限也适用该核子数，只是原子核的总能量限制前带有 ${\displaystyle 1/A}$ 的分数。对于铁原子核，相应的极限会是7002448609416360000♠2.8×1021 eV 。但是，核物理过程导致铁原子核的极限与质子相近。其他高丰度的原子核其极限甚至更低。

这些粒子非常稀有；在2004年至2007年之间， 皮埃尔・奥格天文台 （PAO）初始运行时检测到27起事件，估计它们抵达天文台时能量超过 7000913240597589999♠5.7×1019 eV ，也就是说，该天文台所调查的 3000 km2 面积之中大约每四周就发生一次这样的事件。

有证据显示，这些最高能量的宇宙射线可能是铁原子核 ，而不是构成大多数宇宙射线的质子。

人们推定EECR的（假说性的）发射源称为捷伐加速器（Zevatron），其命名就如同劳伦斯・柏克莱国家实验室的贝伐加速器（Bevatron），以及费米实验室的兆电子伏特加速器（Tevatron）一样，所以能够将粒子加速到1 ZeV（1021 eV，皆电子伏特）。基于星系喷流内部的冲击波可引起粒子的扩散加速，星系喷流在2004年一度被考虑可能就是Zevatron。特别是，模型表明，附近M87星系喷流冲击波可能将铁原子核加速到ZeV范围。 2007年，皮埃尔・奥格天文台观测到EECR与附近星系中心的河外超大质量黑洞（叫做活跃星系核）具有关联性。 然而，随着持续的观察，两者关联性的强度变得越来越弱。虽然最新的结果显示这些EECR中似乎只有不到40％来自AGN，其相关性比以前报道的要弱得多，但活跃星系核磁层中加速度的离心机制也可以解释极高的能量 。 格里布（Grib）和帕夫洛夫（Pavlov）（2007，2008）的提出一个更具推测性的建议，是设想超重暗物质通过潘罗斯过程的衰变 。

1962年，约翰・D・林斯利（John D Linsley）博士和利维奥・斯卡西（Livio Scarsi）博士在新墨西哥州的火山牧场实验中首次观察到能量超过7001160217648700000♠1.0×1020 eV（16 J）的宇宙射线粒子。

从那之后，人们就观测到具有更高能量的宇宙射线粒子。 其中包括1991年10月15日晚上，在犹他州Dugway试验场上 ，由犹他大学的“苍蝇眼”（Fly's eye）实验观察到的Oh-My-God粒子 。该次观测结果震惊了天文物理学家 ，他们估算其能量约无7001512696475840000♠3.2×1020 eV（50 J） ——换句话说， 原子核的动能相当于以时速100公里（时速60英里）飞行的棒球（142克或5盎司）。

UHECR与蓝移的宇宙微波背景辐射会发生相互作用，这限制了UHECR在失去能量之前可以行进的距离；这就是Greisen–Zatsepin–Kuzmin极限（GZK极限）。

UHECR的其他可能来源是：

根据推测，活跃星系核能将暗物质转化为高能质子。 圣彼得堡亚历山大・弗里德曼理论物理实验室的尤里・帕夫洛夫（Yuri Pavlov）和安德烈・格里布（Andrey Grib）推测，暗物质粒子的质量约为质子＝的15倍，而且它们可以分解为成对、与普通物质相互作用的较重虚粒子。 如潘罗斯过程所描述的，这些粒子之一可能靠近活跃星系核，而另一个则逃逸。 那些粒子当中有会与入射的粒子碰撞；根据帕夫洛夫的说法，这是能量非常高的碰撞，可以形成具有高能量的一般可见的质子。 帕夫洛夫又宣称，这种过程的证据就是超高能宇宙射线粒子。 超高能宇宙射线粒子也可能是由超重暗物质“X粒子”（例如黑洞子）的衰变而产生的。 这种能量甚高的衰变产物携带着X粒子质量的一部分，被认为合理解释了我们观察到的超高能宇宙射线。