Cosmic Accelerators
Jonathan Arons
我讨论了远离地球的高能粒子加速器研究的科学原理和机会;大多数情况下，那些太阳系以外的。我还简要概述了用于探测遥感研究加速器的望远镜所需的功能。
I discuss the scientific rationale and opportunities in the study of high energy particle accelerators away from the Earth; mostly, those outside the Solar System. I also briefly outline the features to be desired in telescopes used to probe accelerators studied by remote sensing.
机构、总结、中文摘要均由AI分析而来，可能存在错误，请以论文正文为准。
继续探索
IceCube: The Rationale for Kilometer-Scale Neutrino Detectors
在冰立方接近完成的时候，我们重新审视了建造更大规模中微子探测器的基本原理。我们关注的是这样一种前景，即这些天文台揭示了仍然神秘的宇宙射线来源。虽然宇宙射线光谱的银河系成分起源于超新星遗迹的情况下只缺少一个“吸烟枪”，但河外成分的起源仍然是一个谜。我们推测中微子发射的伽马射线暴和活动星系。
Energetic Particles of Cosmic Accelerators I: Galactic Accelerators
高能宇宙揭示了高能粒子在宇宙中无处不在，在各种尺度的宇宙环境培育中起着至关重要的作用。我们银河系中的高能粒子，即银河宇宙射线（GCR），与银河系中的星际介质和磁场进行复杂的相互作用，从而产生了银河系的许多关键特征。本白皮书是两部分系列的第一部分，重点介绍了最知名的高能宇宙加速器以及MeV伽马射线天文学将为理解其高能粒子现象带来的贡献。本白皮书的重点是银河系宇宙射线、超新星遗迹、原恒星喷流和超级气泡以及碰撞风双星。
Probing Cosmic Accelerators Using VHE Gamma Rays and UHE cosmic rays
在几类银河系和河外天体物理源中观测到的$γ$射线发射似乎与吸积黑洞和旋转动力中子星有关。这些系统是巨大的宇宙加速器，也是几个实验探测到的UHE宇宙射线和VHE中微子的潜在来源。我们回顾了我们对这些物体的理解的最新进展，并展示了如何利用最近和未来的观测来探测源中的条件。
High-Energy Emission Induced by Ultra-High-Energy Photons as a Probe of Ultra-High-Energy Cosmic-Ray Accelerators Embedded in the Cosmic Web
超高能宇宙线加速器（UHECR）中的光子产生（如伽马射线暴和活动星系）可能导致超高能伽玛射线辐射。我们表明，在磁化结构区嵌入源的UHE对的产生是不可避免的，并伴随着>0.1 TeV的同步辐射提供了一个重要的探针UHECR加速。这将特别是强大的瞬态源，同步对回波可能会检测到未来CTA通过协调搜索的瞬态持续时间约0.1-1年的结构化区域与~Mpc。探测将有助于了解河外磁场的结构以及源的特性。
Hidden Cosmic-Ray Accelerators as an Origin of TeV-PeV Cosmic Neutrinos
最新的冰立方数据表明，在30 TeV附近，全宇宙中微子通量可能高达10^-7 GeV/cm^2/s/sr。我们表明，如果源的TeV-PeV中微子是透明的伽马射线相对于双光子湮没，强烈的紧张局势与各向同性扩散的伽马射线费米测量的背景是不可避免的，独立的生产机制。我们进一步表明，如果冰立方中微子有一个光强子（pgamma）的起源，源预计是不透明的1-100 GeV的伽马射线。有了这些一般的多信使参数，我们发现，最新的数据表明，人口的宇宙射线加速器隐藏在GeV-TeV的伽马射线作为中微子的起源。X射线和MeV的伽马射线对应物的探测器受到鼓励，TeV-PeV中微子本身将作为致密源环境的特殊探测器。
Sombrero Galaxy as an Accelerator of Ultrahigh Energy Cosmic Ray Nuclei
圆顶星系中心的超大质量黑洞可能高效加速轻重核至最高能量，挑战传统观点。
Cosmic Ray Antiprotons from Nearby Cosmic Accelerators
PAMELA实验测量的反质子通量可能来自银河系的宇宙射线源。这些反质子预计将在宇宙射线质子和原子核与冷质子的相互作用中产生。伽马射线也在某些宇宙加速器内部的类似相互作用中产生。我们考虑费米LAT观测到的几个附近的超新星遗迹。其中许多与分子云有关。伽马射线已被检测到从这些来源，最有可能起源于衰变的中性介子产生的强子相互作用。利用这些信噪比观测到的γ射线通量，分析了它们对地球附近观测到的宇宙射线反质子通量的贡献。
SNRs W28 and W44: old cosmic ray accelerators in molecular clouds
用非线性扩散激波加速模型研究了老超新星遗迹W28和W44中的粒子加速。我们模拟了残余物的流体动力学演化、激波修正和加速粒子产生的流动不稳定性。与现有的无线电和伽马射线数据的比较。
Extreme Energy Cosmic Rays "Treasure Maps": a new methodology to unveil the nature of cosmic accelerators
本文提出一种逐事件、依赖成分的观测方法，利用极端能量宇宙线在银河系及河外星系际磁场中的偏转差异，区分稳态源与瞬变源，从而揭示宇宙加速器的本质。
Pionic Photons and Neutrinos from Cosmic Ray Accelerators
确定产生银河系和河外宇宙射线的加速器一直是几代高能伽马射线和中微子望远镜的优先任务;到目前为止，成功还遥遥无期。随着第一个对预期通量具有灵敏度的中微子探测器IceCube的完成和CTA的建造，探测与宇宙射线相关的伽马射线和中微子通量达到了一个新的分水岭，CTA是一个地基伽马射线探测器，将以前所未有的精度绘制和研究候选源。本文回顾了用多波长方法揭示宇宙射线源的前景，在回顾了这些方法之后，我们详细讨论了超新星遗迹、伽马射线暴、活动星系和GZK中微子。
Energetic Particles of Cosmic Accelerators II: Active Galactic Nuclei and Gamma-ray Bursts
高能宇宙揭示了高能粒子在宇宙中无处不在，在各种尺度的宇宙环境培育中起着至关重要的作用。虽然它们在培养宇宙学环境和/或使我们能够研究它方面起着关键作用，但我们对AGN和GRB仍然有很多不了解，特别是它们提供辐射和高能粒子的途径，即它们的喷流。本白皮书是两部分系列中的第二部分，重点介绍了最知名的高能宇宙加速器以及MeV伽马射线天文学将为理解其高能粒子现象带来的贡献。本白皮书的重点是活动星系核和伽马射线暴。
Modeling the gamma-ray emission in the Galactic Center with a fading cosmic-ray accelerator
最近HESS对中央分子带（CMZ）的~200 pc尺度弥散伽马射线发射的观测表明，在银河系中心的内部10 pc区域存在PeV宇宙射线加速器（PeVatron）。有趣的是，银河系中心点状源（HESS J1745-290）的伽马射线谱显示截止值约为10 TeV，这意味着宇宙射线质子谱的截止值约为100 TeV。在这里，我们建议，从内部和外部区域的伽马射线发射可以解释自洽的逃逸质子从一个单一的，但衰落的加速器。在这个模型中，来自CMZ区域的伽马射线是由过去注入的质子产生的，而来自内部区域的伽马射线是由最近注入的质子产生的。我们认为由超大质量黑洞（Sgr A*）引起的潮汐破裂事件（TDE）中形成的冲击波可以作为这样一个衰落加速器。利用TDE爆炸波的典型参数，可以同时再现CMZ区和HESS J1745-290区的γ能谱。同时，我们还发现，当粒子注入历史和宇宙射线扩散系数适当组合时，CMZ区的宇宙射线能量密度分布也可以在衰减加速器模型中重现.
Cyclotron resonant interactions in cosmic particle accelerators
综述了空间等离子体中回旋共振相互作用的研究进展。在给出一个简单的配方的测试粒子的方法，共振相互作用的说明性例子。结果表明，对于斜向传播的哨声波，不仅有基波回旋共振，还有渡越时间共振、反常回旋共振、高次谐波回旋共振，甚至亚谐波共振。本文还评述了回旋共振相互作用的几个新课题，如激波中的电子注入、太阳风重离子的回旋共振加热和相对论修正。
Energy Spectrum of Fast Second Order Fermi Accelerators as Sources of Ultra-High-Energy Cosmic Rays
宇宙射线在二阶费米过程中的随机加速通常被认为太慢而不能达到超高能量，除非在特定情况下。本文给出了在高度湍流的磁场中由二阶费米加速得到的能谱。在AGN喷流的外围发现，在这种情况下，它可以足够快地将粒子加速到最高观测能量。我们参数化所得到的非幂律谱，并表明，这些可以描述宇宙射线的能量谱和质量组成的数据在最高的能量，如果考虑到传播效应。
The 'PAMELA anomaly' indicates a nearby cosmic ray accelerator
我们讨论最近观察到的宇宙射线电子和正电子通量已被广泛解释为暗物质的信号“过剩”。通过考虑附近超新星遗迹中次级电子和正电子的产生和加速，我们预测了一个额外的，更硬的组件，在高能量下成为主导。未知的超新星遗迹的空间分布引入了一个随机的不确定性，我们估计解析。拟合预测不同的源分布的总电子+正电子通量测量的费米-LAT固定所有的自由参数，并允许我们“预测”的上升PAMELA看到的正电子分数。预测在高能量下B/C比也会出现类似的上升。
Supernova Remnant Kes 17: Efficient Cosmic Ray Accelerator inside a Molecular Cloud
超新星遗迹Kes 17（SNR G304.6+0.1）是为数不多但越来越多的通过电磁波谱检测到的遗迹之一。在本文中，我们分析了最近的无线电，X射线和伽马射线观测这个对象，确定有效的宇宙射线加速需要解释其宽带非热谱。这些观测结果还表明，Kes 17正在分子云内部膨胀，尽管我们对其年龄的确定取决于热传导或团块蒸发是否是其中心填充热X射线形态的主要原因。Kes 17中有效的宇宙射线加速的证据支持了最近的理论工作，即分子云的强磁场，湍流和cluerous性质增强了超新星遗迹中宇宙射线的产生。虽然需要更多的观测来证实这一解释，但对Kes 17的进一步研究对于理解宇宙射线如何在超新星遗迹中加速非常重要。
Wormhole as a possible accelerator of high-energy cosmic-ray particles
我们提出了最简单的拓扑分类的虫洞，并表明，在开放的弗里德曼模型的属$n\geq 1$虫洞是稳定的，不需要存在奇异形式的物质，或任何修改的广义相对论。我们表明，这样的虫洞也可能具有磁场。人们发现，当虫洞进入星系或周围区域时，它就像一个带电粒子加速器，或者像一个同步辐射发生器。估计表明，这种加速器的阈值能量可能从几个Gev的数量级的足够适度的能量变化，到普朗克数量级的巨大能量甚至更高，这取决于虫洞参数。
Tracing Cosmic accelerators with Decaying Neutrons
超高能中子和π介子可能在宇宙射线源内部的粒子相互作用中产生，随后衰变为中微子和其他次级粒子（$π^\pm \rightarrow μ^\pmν_μ(\bar ν_μ),μ^\pm \rightarrow e^\pm \barν_μ(ν_μ) ν_e(\barν_e)$）。在宇宙加速场的强磁场中，高能带电粒子在衰变前会由于同步辐射而损失大量能量。我们表明，对于内激波模型中的伽马射线暴，衰变的高能中子产生的极高能反中微子（$\bar ν_e$）的通量可能大于π介子衰变产生的总中微子通量，这取决于它们的洛伦兹因子、光度和变率的值.
Escaping the accelerator; how, when and in what numbers do cosmic rays get out of supernova remnants?
由扩散激波加速的带电粒子从超新星遗迹中逃逸，是一个比通常所理解的更为复杂的过程。使用一个盒子模型，它示出的光谱的高能量端可以表现出光谱断裂，即使没有正式的逃逸作为结果的几何稀释和变化的时间尺度。据指出，大部分的宇宙射线粒子在较低的能量必须产生和释放在后期阶段的残留物的演变，而高能量的粒子产生的早期，这可能解释最近的观察轻微的成分变化与能量。本文简要地讨论了稠密和部分电离介质中离子-中性摩擦引起的逃逸，并对所谓的“自由逃逸边界条件”的使用作了一些评论。最后，估计的总生产频谱集成的剩余物的生命。
Stellar wind bubbles of OB stars as Galactic cosmic-ray re-accelerators
本研究通过一维磁流体动力学模拟发现OB星恒星风泡前向激波可再加速银河系宇宙射线，使发射通量增加5倍，强子辐射占主导，为kappa Ori周围增强强子发射提供解释。
Making cosmic particle accelerators visible and audible
在天体粒子物理学家、获奖的科学传播实验室的动画艺术家和音乐家卡斯滕·尼古拉（Carsten Nicolai，又名阿尔瓦诺托），两个宇宙粒子加速器已经带来了生命：大质量双星船底座伊塔，和爆炸的恒星，这导致了伽马射线暴GRB 190829 A。对于Eta Carinae，计算机生成的图像接近真实，因为测量的轨道，恒星和风参数用于此目的。GRB 190829 A喷射中的粒子加速也以前所未有的细节水平进行了动画。国际知名的多媒体艺术家卡斯滕·尼古拉（Carsten Nicolai）在他的音乐作品中使用笔名阿尔瓦·诺托（Alva Noto），专门为动画创作声音。多媒体项目旨在让公众更容易获得这些发现，并从艺术的角度调解科学结果及其对现实的引用。
Superdiffusion of cosmic rays in the vicinity of their accelerators and the resulting $γ$-ray emission
研究宇宙射线在加速器附近的分布，考虑超扩散情况，分析其对射线分布的影响，包括脉冲和稳态注入时的不同表现，还计算了γ射线发射，发现可通过γ射线形态区分超扩散与正常扩散。
Observational constraints on accelerators of ultra-high energy cosmic rays
我们探讨了两个一般性的假说，用于追踪宇宙中的超高能宇宙射线（UHECR）的来源：恒星形成率密度或恒星质量密度。对于每一种情况下，我们推断出一组约束的排放机制在加速器中，为他们的能量和元素的丰度在逃离他们的环境。从这些限制，我们产生的天空地图超过40~EeV的预期从一个目录，包括410,761星系到350 Mpc，并提供了一个近红外通量限制的样本，以映射恒星质量和恒星形成率在整个天空。考虑到在每个星系中的间歇性源的情况下，我们表明，在到达方向上观察到的UHECR的主要功能反过来可以限制爆发率的源提供的磁视界效应在星系团中发挥作用。
The 1953 Cosmic Ray Conference at Bagneres de Bigorre
1953年7月，由帕特里克·布莱克特和路易斯·勒普林斯-林盖在比戈尔的巴涅雷斯举行的宇宙射线会议是一次开创性的会议。它标志着亚原子物理学的开始，以及从宇宙射线研究向新的高能加速器研究的转变。关于在宇宙射线中发现的重不稳定粒子的知识在事实和解释上基本上是正确的，并确定了需要用新的加速器进行的实验。很大一部分一直使用宇宙射线进行研究的物理学家转向了加速器。这次会议的重要性可以与另外两次著名的会议，即1927年的索尔维会议和1948年的谢尔特岛会议相提并论。
Origin and evolution of cosmic accelerators - the unique discovery potential of an UHE neutrino telescope: Astronomy Decadal Survey (2010-2020) Science White Paper
天文学和天体物理学中最令人感兴趣的问题之一，即产生最高能量宇宙射线（UHECR）的宇宙加速器的起源和演化，可能是通过观测超高能（UHE）宇宙成因中微子来解决的。中微子从它们的源头出发，不受磁场的偏转，也不受与宇宙微波背景相互作用的阻碍。在高能量下，中微子可以通过阿斯卡里安效应在致密的射频透明介质中被检测到。覆盖地理南极的丰富的冷冰，及其卓越的RF清晰度，已经成为开发这种方法的几项开创性工作的所在，包括RICE和ANITA。在这些努力中获得的专业知识以及在建造IceCube光学切伦科夫天文台过程中开发的基础设施的基础上，可以在极点附近部署一个低成本的射频天线站阵列，以便在未来十年内以度尺度角分辨率有效地探测大量的UHE中微子。这样的阵列，如果安装在靠近冰立方，可以允许交叉校准一个小的，但宝贵的中微子事件的子集检测到的光学和无线电方法。除了提供关键信息，以确定来源的UHECR，这样一个天文台也可以提供一个独特的探测长基线高能中微子相互作用在任何人造中微子束无法实现。
Some interesting phenomena observed in cosmic-ray experiments by means of X-ray emulsion technique at super accelerator energies
在PCR“膝盖”以上的能量范围内（5-1000 PeV），乳胶室数据表现出一些新的特点，这是很难解释的框架内的标准模型。本文介绍了在帕米尔乳胶室实验中观测到的一些新的奇异事件类型的系统探索结果，即巨大的“晕”事件、共面事件、在铅中具有异常弱吸收的穿透强子、“半人马座”型事件。可能的理论解释进行了讨论。
Features in cosmic-ray lepton data unveil the properties of nearby cosmic accelerators
我们提出了一个全面的讨论宇宙射线谱的轻子分量的功能的起源。工作在一个最新的CR运输方案调整的最新的AMS-02和旅行者数据的框架，我们表明，最近发现的正电子和全电子光谱的几个实验的突出特点解释的情况下，脉冲星风星云（PWNe）的正电子通量的主要来源，和附近的超新星遗迹形状的高能量峰的电子光谱。特别是，我们认为，AMS-02发现在$\sim 300$ GeV的正电子谱的下降可以解释-在不同的假设下-在一个突出的PWN，提供了大量的观测到的正电子在$\sim 100$ GeV域，从大量的老对象的贡献之上。最后，我们把我们的注意力转向$\sim 1$ TeV的全轻子光谱，最近报道的几个实验，表明它需要附近的超新星遗迹的存在下，在其最后阶段的光谱软化。
A local fading accelerator and the origin of TeV cosmic ray electrons
总宇宙射线电子谱（电子加正电子）在粒子能量为$\sim 1\rm~TeV$处出现一个断裂，并且没有任何衰减地延伸到$\rm \sim 20~ TeV $。同步加速器和逆康普顿能量损失强烈约束的年龄和距离的潜在来源的TeV和多TeV电子$\rm\approx 10^5~yr$和$\rm \approx 100-500~pc$，这取决于宇宙射线扩散系数的绝对值和能量依赖。这表明，只有几个，或只是一个附近的离散源可以解释所观察到的高能电子的光谱。另一方面，测得的正电子分数，在最初增加粒子能量，饱和在一个水平远低于0.5，并可能下降到$\sim 400-500$ GeV以上。这意味着TeV电子的本地来源不应该产生等量的正电子，排除了将脉冲星/脉冲星风作为高能轻子的主要来源的情况。在本文中，我们表明，一个单一的，本地的，和衰落的源可以自然地占整个宇宙射线电子在TeV域的频谱。即使这样的源的性质仍然不清楚，我们讨论已知的宇宙射线加速器，如超新星遗迹和恒星风冲击，这被认为是优先加速电子，而不是正电子。
Where are Milky Way's Hadronic PeVatrons?
在TeV-PeV能量下对银河系的观测揭示了一个明亮的强子宇宙射线的扩散通量，也揭示了γ射线的亮点源。如果伽马射线源是强子宇宙射线加速器，那么它们也一定是中微子源。然而，没有发现中微子源。他们在哪里？我们介绍了一种新的人口为基础的方法来探测银河系强子PeVatrons，要求扩散和点源PeV范围数据之间的一致性宇宙射线，伽马射线和中微子。对于PeVatrons来说，允许两种极端情况：（1）强子宇宙线加速器和伽马射线源是相同的物体，因此存在明亮的中微子源，并且改进的望远镜可以检测到它们，而（2）强子宇宙线加速器和伽马射线源是不同的，因此没有可检测的中微子源。如果强子加速器具有足够薄的列密度，则后一种情况是可能的。我们量化目前的限制和未来的前景，展示如何揭示强子PeVatrons的性质。
Proton-Helium Spectral Anomaly as a Signature of Cosmic Ray Accelerator
超新星遗迹（SNR）中宇宙射线（CR）加速的证据必须依赖于加速理论与观测的完全一致性;直接证据是不可能的，因为CR粒子的轨道混乱。PAMELA轨道望远镜发现氦和质子CR光谱之间的偏差被认为与理论不符，因为后者没有区分超相对论刚性的元素。通过考虑初始（注射）阶段的扩散冲击加速度（DSA），其中元素的相似性不适用，我们证明了光谱差异，事实上，一个独特的签名的DSA。无碰撞等离子体SNR冲击注入更多的He 2+相对于质子时，他们更强，因此产生更硬的氦光谱。注入偏置是由于由更丰富的质子驱动的阿尔芬波，因此由于较大的回旋半径，He 2+离子更难被这些波捕获。通过拟合的p/He比的PAMELA数据，我们支持DSA的情况下，解决百年之谜的CR起源。
Ordinary Stars as Potential TeV Cosmic-Ray Accelerators
本研究提出太阳等普通主序星可通过色球层激波漂移加速产生TeV宇宙线，并定量估计最大能量、谱指数与通量，以解释本地TeV电子正电子超出。
Star clusters as cosmic ray accelerators
大质量恒星吹出强大的风，最终爆炸成超新星。通过这样做，它们将能量和动量注入到星周介质中，这些介质被推离恒星并堆积起来形成一个致密和膨胀的气体壳。当许多大质量恒星聚集在一起形成星系团或星协时，这种效应会更大。由于恒星对周围介质的反馈，在星团周围形成了大的空洞。它们被称为超级气泡，其特征是存在湍流和超音速气体运动。这使得星团成为粒子加速的理想环境，也是观测到的银河宇宙射线强度的潜在贡献者。星团及其周围环境中粒子的加速可能对观测到的CR通量有重要贡献。此外，它可以解释在这些粒子的化学成分中观察到的精细结构，并可能为PeV范围内或更高能量的宇宙射线的起源之谜提供解决方案。
Accelerator measurements of magnetically-induced radio emission from particle cascades with applications to cosmic-ray air showers
五十年来，宇宙射线空气簇射一直通过其无线电发射被探测到。我们提出了第一个实验室测量，验证空气淋浴建模中使用的电动力学模拟。SLAC的一项实验提供了在存在磁场的情况下来自带电粒子级联的射频辐射的束测试，这是宇宙射线空气簇射的模型系统。该实验提供了一套受控的实验室测量，以与超高能宇宙射线空气簇射探测所依赖的RF发射的粒子级模拟进行比较。我们比较模拟数据的强度，线性与磁场，角分布，偏振，和光谱内容。特别是，我们证实了现代的预测，在电介质中的磁致发射形成一个圆锥体，峰值在切伦科夫角，并表明模拟再现系统的不确定性内的数据。
What sources are the dominant Galactic cosmic-ray accelerators?
超新星遗迹（SNRs）一直被认为是银河系宇宙射线的主要来源，这意味着它们提供了大部分能量来驱动宇宙射线以及PeVatron。由于缺乏PeV宇宙射线在SNR中存在的证据，以及理论上的考虑，使得这种假设无法成立。与此同时，最新的LHAASO和其他伽马射线结果表明，PeVatron潜伏在恒星形成区域内。在这里，我将讨论为什么信噪比仍然应该被认为是至少高达10 TeV的银河系宇宙射线的主要来源，但宇宙射线数据允许能量高达几PeV的宇宙射线的第二个组成部分。这第二个组成部分可能是超新星/SNRs的子集，恒星形成区域内的再加速，或超新星。作为一个特殊的情况下，我表明，最近的观测Westerlund 1的H.E.S.S.建议在这个区域内的扩散系数的低值，这是，连同阿尔文速度> 100公里/秒，一个先决条件，使恒星形成区域集体PeVatron由于二阶费米加速。
Cosmic Neutrinos and the Cosmic-Ray Accelerator TXS 0506+056
冰立方发现了一种宇宙中微子流，它起源于河外源，其能量密度接近伽马射线和宇宙射线。一个多信使运动由一个伽马射线耀斑和一个290 TeV的冰立方中微子的同时观测触发，精确定位了宇宙射线加速器TXS 0506+056。随后，IceCube的档案数据显示，在2014-15年，13个宇宙中微子的爆发持续了3个月，在9.5年的观测中占主导地位。最初将其来源确定为耀变体是令人困惑的，因为它需要一个主要的吸积事件到旋转的超大质量黑洞上才能容纳中微子爆发。随后的VLBA源的高分辨率射电图像揭示了两个星系的合并，这是由两个喷流纠缠在源中的相互作用揭示的。最近，耀变体PKS 1502+106在300 TeV中微子警报IC-190730的方向被发现。OVRA在15 GHz的射电观测表明，中微子也与五年前开始的耀斑的最高通量密度相吻合。这与TXS 0506+056的类似长期爆发相匹配，可能表明合并活动。此外，在10年冰立方中微子天空图中占主导地位的热点，NGC 1068（梅西耶77），是一个塞弗特星系正在经历一个主要的吸积事件到黑洞。这种特殊的源，现在被标记为伽马射线耀变体的百分之几，足以容纳冰立方观测到的扩散宇宙中微子通量。虽然快速进展似乎是可能的，但这些观测结果也令人信服地证明了建造更多更大的中微子望远镜的必要性，这些望远镜具有更好的角分辨率。
Identifying Ultrahigh-Energy Cosmic-Ray Accelerators with Future Ultrahigh-Energy Neutrino Detectors
超高能中微子源的探测将大大有助于解决数十年来最高能量宇宙射线起源之谜。我们研究了未来UHE中微子探测器识别最亮中微子点源的能力，通过探索观测事件总数的参数空间和探测器的角分辨率。对于给定的源数密度和演化历史，有利的参数区域可以转化为对未来探测器的有效面积、天空覆盖和角分辨率的要求。此外，通过研究典型的距离源，预计发射一个以上的事件，对于一个给定的扩散中微子通量，我们发现，一个显着的比例可识别的UHE中微子源可能位于附近的宇宙，如果源数密度是$\sim10^{-6}\,\rm Mpc^{-3}$以上。如果像blazar场景中预测的那样，源足够强大和罕见，它们首先可以在遥远的位置被检测到。我们的研究结果还表明，如果UHE宇宙射线加速器既不是光束也不是瞬态的，那么将有可能将检测到的UHE中微子源与附近的UHE宇宙射线和伽马射线源相关联，并且它们也可以使用其他信使来观察，包括具有有限视野的信使，如TeV伽马射线，UHE伽马射线和宇宙射线。我们发现，对于均匀密度的UHE中微子源的$\gtrsim5σ$探测，$n_s\sim{10}^{-7}-{10}^{-5}~{\rm Mpc}^{-3}$至少需要$\sim100-1000$事件和亚度角分辨率，并且探测结果依赖于源的演化模型.
Observational constraints on cosmic-ray escape from UHE accelerators
在特定的天体物理环境中加速的超高能宇宙射线（UHECR）的相互作用已被证明会使原子核的能量产生率不同于从约束区逃逸的次级中子的能量产生率。在这里，我们的目标是测试一个通用的场景中的源相互作用，通过现象学建模的通量和组成的UHECR。我们拟合了一个模型，其中核子和原子核遵循不同的粒子能量分布的全粒子能谱，质子谱低于脚踝能量和分布的最大淋浴深度以上的能量，在皮埃尔俄歇天文台推断。我们得到的数据可以使用的空间分布的源，遵循在本地和大尺度上的河外物质的密度，从而提供了一套现实的约束宇宙加速器中的发射机制，为他们的能量和元素的丰度在逃离他们的环境。虽然在地球上观测到的宇宙射线质量数从${\simeq}\: 2\:$ EeV到最高能量的准单元素增加要求用硬光谱指数加速的原子核，但推断出的质子通量下降到${\simeq}\: 0.6\:$ EeV表明，对于这一种群，光谱指数比迄今为止普遍获得的要软得多。我们证明，建模UHECR数据在脚踝证实了在源相互作用的猜想，在一个强大的统计框架，虽然推到极端的机制。
The supernova remnant SN 1006 as a Galactic particle accelerator
宇宙射线的起源是高能天体物理学中一个关键的开放性问题。超新星遗迹是银河系宇宙射线工厂的有力候选者，它们的冲击波是强大的粒子加速器。然而，超新星遗迹只有在将相当大一部分动能转移给被加速的粒子时，才能为观测到的宇宙射线通量提供动力，但这种有效加速的确凿证据仍然缺乏。在这种情况下，引导到宇宙射线的冲击能量应该引起比标准冲击条件预测的更高的冲击后密度。在这里，我们展示了这种效应，并通过分析SN 1006的银河系残骸的深X射线观测，探索其对周围磁场方向的依赖性。通过比较我们的结果与国家的最先进的模型，我们得出结论，SN 1006是一个有效的宇宙射线源，并获得准平行加速机制的观测支持。
Diffusive shock acceleration at laser driven shocks: studying cosmic-ray accelerators in the laboratory
负责许多天体物理系统的发射的非热粒子谱被认为是通过一阶费米过程（也称为扩散激波加速）来自激波。同样的机制也被广泛认为是高能宇宙射线产生的原因。随着人们对激光等离子体中无碰撞激波物理的兴趣日益增长，在受控实验室中再现和检测激波加速度的可能性应该被考虑。必须满足的各种实验限制进行审查。它表明，几个目前正在运行的激光设施可能满足必要的标准，以确认发生的扩散冲击加速的电子在激光产生的冲击。在实验室中成功再现费米加速可以打开一系列的可能性，提供对发生在宇宙射线的天体物理源附近的复杂等离子体过程的深入了解。
Evidence for the Sombrero Galaxy as an Accelerator of the Highest-Energy Cosmic Rays
基于皮埃尔·奥格天文台17年数据，发现草帽星系与超高能宇宙射线多重态存在显著空间关联，为活跃超大质量黑洞作为最高能量宇宙射线来源提供关键证据。
Observational constraints on cosmic-ray escape from ultra-high energy accelerators
皮埃尔·俄歇天文台推断的超高能宇宙射线的能谱和质量组成被用来推导出河外加速器中起作用的发射机制及其能量学和环境中元素丰度的基准情景。假设源的分布遵循恒星质量的密度，在地球上观测到的宇宙线质量数从$\simeq$ 2\：EeV逐渐增加到最高能量，这表明需要加速到与其电荷成比例的能量并以硬光谱指数发射的核。此外，推断通量的质子下降到$\simeq$ 0.6\：EeV的显示，需要为这个人口的光谱指数显着软比较重的核。这与源内相互作用一致，源内相互作用使注入的带电核的能量产生率不同于从约束区逸出的次级中子的能量产生率。连同推断的核丰度，这些结果提供了在源环境中的辐射水平的限制。在这种情况下，需要一个额外的分量，该分量随着能量的增加而急剧下降，直到脚踝特征，以弥补脚踝下能量范围内的所有粒子通量。
Curious case of the maximum rigidity distribution of cosmic-ray accelerators
本文研究超高能宇宙线源最大能量存在差异时与观测能谱及成分的兼容性，发现幂律分布下源间最大能量方差必须极小，只有截断幂律分布且源谱异常硬时才能允许显著方差。
Neutrinos from Cosmic Accelerators Including Magnetic Field and Flavor Effects
我们回顾了影响天体物理中微子通量的归一化、形状和味道组成的粒子物理成分，如不同的产生模式、磁场对秒数（μ子、π子、K介子）的影响以及味道混合，其中我们专注于p-γ相互作用。我们还讨论了与中微子传播和检测的相互作用，包括检测味道的可能性及其在粒子物理学中的应用，以及使用p-gamma共振来区分源中的p-p相互作用。我们用两种不同的模型说明了通量和风味成分的影响：1）目标光子谱主要由同步加速电子发射和2）目标光子谱遵循观测到的伽马射线暴的光子谱。在后一种情况下，多信使外推的伽玛射线通量的预期中微子通量突出。
Probing the environments surrounding ultrahigh energy cosmic ray accelerators and their implications for astrophysical neutrinos
我们探索的超高能宇宙射线（UHECR）源环境的推断-限制的频谱和组成的UHECR和极高能量中微子的非观测-和它们的影响所观察到的高能天体物理中微子谱。我们发现加速机制产生幂律CR谱~ $\propto E^{-2}$是兼容的UHECR数据，如果CR在高刚度是在准弹道扩散制度，因为他们逃离他们的源环境。以气体为主和以光子为主的源环境都能够解释UHECR观测结果，但以光子为主的源给出了更好的拟合。此外，以气体为主的源与当前的中微子约束处于紧张状态。精确测量$\sim 10$ PeV的中微子通量将提供有关以气体为主的源的可行性以及扩散激波加速是否与UHECR观测一致的关键信息。我们还表明，UHECR源是能够给一个很好的适合的天体物理中微子光谱的高能量部分，以上$\sim$ PeV。如果用Sibyll2.3c强子相互作用模型解释空气簇射数据，那么UHECR和高能天体物理中微子的共同起源是自然的，Sibyll2.3c强子相互作用模型在参数空间的同一部分给出了UHECR和天体物理中微子的最佳拟合，但不是EPOS-LHC。
Cosmogenic Neutrinos Through the GRAND Lens Unveil the Nature of Cosmic Accelerators
能量超过55电子伏特的宇宙射线的来源仍然是个谜。被称为宇宙成因中微子通量的超高能中微子的保证关联通量将由下一代无线电设施测量，例如拟议的中微子探测巨型无线电阵列（GRAND）。利用宇宙成因中微子流提供的正交信息，我们确定了GRAND约束源红移演化和宇宙线源化学组成的前景。如果红移的演化是已知的，那么不管GRAND的能量分辨率如何，拥有200，000个天线的GRAND将在一年的数据采集后将质子/铁的分数限制在$\sim5-10\%$水平;另一方面，如果给出了平均源成分的提示，GRAND将测量源的红移演化到$\sim 10\%$不确定性。然而，预见的配置的GRAND单独将无法打破之间的红移演化的源和它们的组成简并。我们的研究结果强调了下一代无线电阵列探测器的识别潜力，并激励在这个方向上进一步努力。
Beyond Earthly Limits: Protection against Cosmic Radiation through Biological Response Pathways
本文探讨宇宙辐射对宇航员及生物的危害，提出利用地球生物应对压力的响应通路作为防护策略，并建议建立DIAL-ST国际加速器实验室以推进相关研究。
Proposal of the Electrically Charged Stellar Black Holes as Accelerators of Ultra High Energy Cosmic Rays
本文提出了一种新的超高能宇宙射线加速机制。它是基于接近带电恒星黑洞的中性原子的隧道电离，以及由此产生的带正电荷的原子部分被巨大的长距离电场排斥。这些粒子在$10^{18}$ eV以上的能量可以通过这种一个接一个的全电模型以简单的方式计算。当这种加速机制与超新星（SN）爆炸的星系晕的大质量失控的恒星从银盘驱逐相结合，然后所获得的各种结果被证明是兼容的，几乎所有的主要观测事实，这些UHECR。在这些事实中，该模型预测的UHECR的测量的顶部能量和它们的通量在指定的EeV的能量范围内的几乎正确的值。它还解释了这些高能粒子到达地球的近各向同性，正如俄歇天文台最近测量的那样。
SNR G39.2-0.3, an Hadronic Cosmic Rays Accelerator
最近用伽马射线卫星获得的结果已经证实超新星遗迹是GeV强子宇宙射线的加速器。在这样的过程中，在SNR冲击中加速的CR与周围气体云中的粒子相互作用。特别是，核心坍缩SNR爆炸的丰富介质提供了一个大的目标密度来增强强子伽马射线。SNR G39.2-0.3是红外波段中最亮的SNR之一，其广泛的多波长覆盖范围允许对其从无线电到高能量的辐射进行详细建模。我们重新分析了该地区的费米-LAT数据，并将其与MWISP调查的新无线电观测结果进行了比较。从无线电到GeV能量的光谱能量分布的建模有利于伽马射线发射的强子起源，并将SNR磁场约束为至少~100 μ G。尽管有很大的磁场，目前质子的加速度似乎被限制在~10 GeV，这表明由于CO观测所追踪到的致密壁，围绕残骸的冲击波速度急剧减慢。对伽马射线谱形状的进一步研究表明，一个动力学上古老的遗迹遭受了严重的CR逃逸和加速效率的降低。伽马射线谱的低能峰也表明，加速粒子的成分可能被重核富集，这肯定是核心塌陷SNR所预期的。另外，压缩的预先存在的银河系宇宙射线的贡献进行了讨论，这是，然而，发现不太可能是伽马射线生产的主导过程。
Modeling individual nearby radio galaxies as ultra-high-energy cosmic-ray accelerators
本研究通过建模临近射电星系，探讨其作为超高能宇宙射线加速器的潜力，并确定其对观测到的高能宇宙射线通量的贡献。
Fossil shell in 3C 84 as TeV $γ$-ray emitter and cosmic-ray accelerator
我们探索了受冲击的外部介质的物理特性（即，3C 84中与1960年左右出生的周期性射电瓣有关的一个壳）。在Ito等人先前的工作中，我们研究了在中央发动机停止喷气发射后这种壳层的动力学和辐射演化，我们发现化石壳层的辐射与快速衰落的射电瓣的辐射相似。我们将这个模型应用于3C 84，发现：（1）由数密度为0.3 cm $^{-3}$的冲击扩散环境物质构成的化石壳层，以来自中心致密区的射电辐射种子光子为辐射源，辐射出明亮的逆康普顿（IC）辐射，IC辐射超过切伦科夫望远镜阵列（CTA）的灵敏度阈值。(ii)当化石壳产生于数密度为$10^{3}$ cm $^{-3}$的几何厚电离等离子体中时，壳中的场强在磁场放大的存在下可达到约17 mG，射电发射变得与深成像VLBI观测的灵敏度相当。超高能宇宙射线（UHECRs）的可能产生的致密冲击等离子体也被认为是。
Muon Acceleration in Cosmic-ray Sources
许多超高能宇宙射线产生的模型涉及位于伽马射线暴磁星或其他来源的直线加速器的加速。这些源模型需要非常高的加速梯度，$10^{13}$ keV/cm，最小梯度由源的长度设置。在1.6 keV/cm以上的梯度下，强子相互作用产生的μ子在衰变前会经历显著的加速。这种加速使中微子能谱变硬，并大大增加了高能中微子通量。我们排除了许多模型的线性加速，设置强约束等离子体尾场加速器和模型的来源，如伽马射线暴和磁星。
Extensive air showers and atmospheric electric fields. Synergy of Space and atmospheric particle accelerators
本文探讨空间与大气粒子加速器的协同作用，指出雷暴期间强电场调制次级粒子能谱，产生粒子爆发（TGEs），并显著改变广延大气簇射（EAS）的触发频率。
Gamma-ray and Cosmic Ray Astrophysics from 10 TeV to 1 EeV with the large-area ($>$10 km$^2$) air-shower Detector SCORE
我们建议探索到目前为止测量不良的宇宙射线和伽马射线天空（加速器天空）的能量范围从10 TeV到1 EeV。新的物理学问题可能会在伽马射线天文学最后剩下的观测窗口中得到解决。宇宙加速器和空气簇射探测技术提供的非常高的束流能量自然意味着天体粒子物理学和粒子物理学的基本问题之间的纠缠。新的大面积（10公里$^2$）广角（1 sr）空气切伦科夫探测器SCORE（宇宙起源探测器研究）是基于非成像切伦科夫光前采样与1米$^2$的顺序敏感的大面积探测器模块。横向光子密度和到达时间分布将被采样到距离簇射核心很远的地方。物理动机，探测器的概念和第一次模拟结果将被提交。
The origin of IceCube's neutrinos: Cosmic ray accelerators embedded in star forming calorimeters
IceCube合作报告了对地外中微子的探测。信号的各向同性和味道含量，以及在当前不确定性范围内，50 TeV到2 PeV的通量和光谱与Waxman-Bahcall束缚的重合，表明中微子的宇宙学起源与超高能量（$>10^{10}$ GeV）宇宙射线（UHECR）的来源有关。对UHECR和中微子信号最自然的解释是，它们都是由同一群宇宙学源产生的，在[ $1$ PeV，$10^{11}$ GeV]能量范围内以相似的速率$E^2d\dot{n}/dE\propto E^{0}$产生CR（可能是质子），并存在于“量热”环境中，就像恒星形成速率高的星系一样，其中$E/Z<100$ PeV CR损失了大部分能量来产生π介子。在$\gtrsim100$ TeV的检测器的有效质量增加十倍是必要的，以显着提高电流测量的准确性，使一些明亮的附近的星爆的检测“热量计”，并打开识别嵌入在热量计的CR源的可能性，通过关联中微子与光子伴随瞬态事件负责其产生。源识别和大量的中微子样本可能使人们能够使用天体物理中微子来约束新的物理模型。
Probing extreme astrophysical accelerators through neutrino anisotropy
本研究提出利用超高能中微子天空的各向异性来探测极端天体物理加速器的宇宙分布，并首次据此测量超高能中微子及宇宙射线源的演化。
Using Circular Polarisation to Test the Composition and Dynamics of Astrophysical Particle Accelerators
我们研究了在宇宙加速器如超新星遗迹和活动星系核喷流中产生的圆偏振X射线和γ射线信号。这些位置内的质子-质子和质子-光子碰撞在介子和μ子的分布中产生电荷不对称性，最终导致净圆极化信号，因为这些粒子辐射衰变。我们发现，这样产生的圆偏振的分数是在$ 5 \times 10^{-4}$的水平，无论确切的光束光谱，只要它是由质子为主。虽然这一部分非常小，但圆偏振信号与高能中微子的检测将提供宇宙加速器中高能质子存在的明确信号。特别是在超新星激波中，这将表明存在相对论性质子撞击星系际或星际介质中的静止质子和/或低能光子。
Energy dependent neutrino flavor ratios from cosmic accelerators on the Hillas plot
我们讨论了宇宙加速器的中微子通量和能量依赖的味比作为加速区的大小和磁场的函数，这是希拉斯图的参数。我们假设费米加速的质子和同步加速的电子（或正电子）的光子之间的光强子相互作用导致带电π介子的产生。我们包括同步加速器冷却的带电π介子和连续产生的μ介子，然后进一步衰变成中微子，以及螺旋度依赖的μ介子衰变。我们的光强子相互作用模型包括直接生产，更高的共振，和高能量的过程，以模拟中微子味和中微子反中微子比具有足够的精度。由于我们假设源是光学薄的中子相互作用，我们包括中子衰变的中微子通量。我们将Hillas图分为R和B中具有超过20 x24数量级的不同特征风味比率的区域。在一些具有相当大的磁场的例子中，我们恢复了中子束、π介子束和μ介子阻尼束作为能量的函数。然而，我们也发现了异常或新的源，如μ子束源的风味比nu_e：nu_mu：nu_tau为1：1：0的能量区域中的同步阻尼μ子堆积。我们还讨论了如何利用π ^+和π ^-产生之间的强烈不平衡来识别p γ光学薄源。我们发现，尽管高能光强子过程的π ^-污染和混合参数的不确定性，这些原则上可以在大多数情况下被识别。
Supernova remnants in super bubbles as cosmic ray accelerators
本研究通过解析和数值方法，探讨星团集体风中超新星遗迹激波的粒子加速过程，发现仅极端条件下少数遗迹可实现PeV能量加速。
Multi-messenger constraints on transient accelerators of ultra-high energy cosmic rays
该研究通过联合拟合UHECR能谱与质量组成，结合大尺度宇宙结构影响，利用多信使观测约束瞬变加速器特性，指出长伽马射线暴是最具潜力的超高能宇宙射线源候选体。
Gamma-rays from star-forming regions: from SNOBs to dark accelerators
观测伽马射线天文学诞生于大约40年前，当时小型探测器在卫星上飞行，经过十年的理论预测，它有可能通过π-零衰变机制发现宇宙射线的起源。70年代是伽马射线和宇宙射线天体物理学的黄金时代，宇宙射线的“扩散激波加速”理论被（重新）发现，第一次对银道面进行CO和GeV伽马射线巡天，验证了π-零衰变在银河系大规模伽马射线发射中的重要性。但由于这种强烈的银河系背景，GeV伽马射线源很难识别。第一个被确定的伽马射线源是三颗超新星，这表明超新星遗迹与大质量恒星形成区（“SNOB”）中的分子云相互作用也是伽马射线源。由于其灵敏度和空间分辨率的提高，地基切伦科夫望远镜，检测伽马射线在> TeV的能量，现在能够解决分子云大小的物体在几个千秒差距。像IC 443和W28这样的SNOB物体在GeV和TeV能量下被探测到，并显示了SNR冲击波和附近分子云之间宇宙射线相互作用的空间证据，以及随后的π-零衰变。然而，光谱证据并不清楚地支持这一机制。我们建议使用另一种工具来探测假定的本地宇宙射线的低能量分量的相互作用，在TeV明亮的分子云的增强电离的形式，使用毫米观测。
扫码添加微信好友，提出您的宝贵建议 👇
💡 备注请填写：网站反馈
发表机构由 AI 从论文文本抽取，如发现错误，欢迎反馈修正建议。