中子星合併：揭開宇宙超高能宇宙射線的神秘面紗

宇宙中的超高能宇宙射線，其能量超過人類所能製造的百萬倍，堪稱宇宙中最具威力的粒子。

紐約大學的Glennys Farrar教授提出，雙中子星合併可能是所有或大部分超高能宇宙射線的來源。這一理論能夠解釋為何超高能宇宙射線的剛性範圍如此狹窄，因為雙中子星合併產生的噴流是由重力驅動的發電機所產生，且由於雙中子星質量的範圍有限，這些噴流幾乎完全相同。圖片來源：大阪市立大學 / L-INSIGHT，京都大學 / Ryuunosuke Takeshige。

雖然科學家已經知道超高能宇宙射線的存在將近六十年，但直到現在，天文物理學家仍未能提出一個能解釋所有觀測結果的滿意理論。

Glennys Farrar教授提出的新理論，為超高能宇宙射線的產生提供了一個可行且可測試的解釋。

「經過六十年的努力，我們可能終於找到了宇宙中這些神秘最高能量粒子的來源，」Farrar教授表示。

「這一發現為我們理解宇宙中最劇烈的事件提供了新的工具：兩顆中子星合併形成黑洞的過程，這正是許多珍貴或稀有元素如金、鉑、鈾、碘和氙的來源。」

Farrar教授認為，超高能宇宙射線是在雙中子星合併的湍流磁場外流中被加速的，這些外流在最終黑洞形成之前從合併殘骸中噴出。

這一過程同時產生了強大的重力波，其中一些已經被LIGO-Virgo合作團隊的科學家探測到。

「這項研究首次解釋了超高能宇宙射線的兩個最神秘特徵：它們的能量與電荷之間的緊密關聯，以及少數極高能量事件的非凡能量，」Farrar教授說。

「這項研究還提出了兩個可以在未來工作中進行實驗驗證的結果：

(i) 最高能量的宇宙射線源自於稀有的『r過程』元素，如氙和碲，這激勵了我們在超高能宇宙射線資料中尋找這些成分；

(ii) 源自超高能宇宙射線碰撞的極高能量中微子，必然伴隨著母體中子星合併產生的重力波。」

這項研究發表在《物理評論快報》期刊上。

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Glennys R. Farrar. 2025. Binary Neutron Star Mergers as the Source of the Highest Energy Cosmic Rays. Phys. Rev. Lett 134, 081003; doi: 10.1103/PhysRevLett.134.081003