來自快速旋轉恆星質量黑洞的宇宙射線貢獻：宇宙射線 GeV 到 EeV 級的質子和反質子源

核心概念

快速旋轉的恆星質量黑洞，其周圍的磁場強度與黑洞的自旋密切相關，可能產生從 GeV 到 EeV 能量的宇宙射線質子和反質子。

摘要

Allen, M. L., Biermann, P. L., Chieffi, A., Chini, R., Frekers, D., Gergely, L. A., Gopal-Krishna, Harms, B., Jaroschewski, I., Joshi, P. S., Kronberg, P. P., Kun, E., Meli, A., Seo, E.-S., & Stanev, T. (2024). Cosmic ray contributions from rapidly rotating stellar mass black holes: Cosmic Ray GeV to EeV proton and anti-proton sources. Frontiers in Astronomy and Space Sciences. arXiv:2411.11263v1 [astro-ph.HE]

本研究旨在探討快速旋轉的恆星質量黑洞對宇宙射線的貢獻，特別是 GeV 到 EeV 能量的質子和反質子。

從以下內容提煉的關鍵洞見

Cosmic ray contributions from rapidly rotating stellar mass black holes: Cosmic Ray GeV to EeV proton and anti-proton sources

by M. L. Allen,... 於 arxiv.org 11-19-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.11263.pdf

深入探究

如果黑洞的自旋速度遠低於最大值，那麼它產生的宇宙射線能量分佈會如何變化？

當黑洞的自旋速度遠低於最大值時，其能層區域會縮小，導致通過 Penrose 過程 提取能量的效率降低。這將導致以下變化：

宇宙射線最高能量降低: 由於能層區域縮小，粒子加速的上限降低，產生的宇宙射線最高能量也會下降。
宇宙射線通量減少: 自旋速度降低意味著可提取的能量減少，進而導致產生的宇宙射線數量減少，即宇宙射線通量降低。
宇宙射線能譜變陡: 低自旋速度下，高能粒子的加速效率下降更為顯著，導致宇宙射線能譜在高能段變得更陡峭。

具體的能量分佈變化取決於黑洞自旋速度、磁場強度、吸積率等因素。目前尚未有精確的模型可以描述這種情況，需要進一步的理論研究和數值模擬。

是否還有其他天體物理現象可以產生與觀測結果相符的宇宙射線？

除了快速旋轉的黑洞，以下天體物理現象也被認為可能產生與觀測結果相符的宇宙射線：

超新星遺跡 (SNRs): 超新星爆發產生的衝擊波可以有效地加速帶電粒子，被認為是銀河系內宇宙射線的主要來源之一。
脈衝星和脈衝星風星雲: 脈衝星是快速旋轉的中子星，其強磁場可以加速粒子到極高的能量。脈衝星風星雲是脈衝星周圍的高能粒子雲，也被認為是宇宙射線的潜在來源。
星暴星系和活躍星系核 (AGNs): 星暴星系和 AGNs 中存在劇烈的恆星形成和物質吸積過程，可以產生強烈的衝擊波和磁場，從而加速粒子到極高的能量。
伽瑪射線暴 (GRBs): 伽瑪射線暴是宇宙中最劇烈的爆發現象之一，被認為與大質量恆星的坍縮或緻密天體的合併有關。GRBs 可以產生極強的磁場和輻射，被認為是超高能宇宙射線的潜在來源。

需要指出的是，目前尚未完全確定宇宙射線的起源，上述天體物理現象都可能是宇宙射線的不同能量段的貢獻者。

黑洞產生的宇宙射線對星系演化和宇宙結構形成有何影響？

黑洞產生的宇宙射線，特別是高能宇宙射線，對星系演化和宇宙結構形成有著重要的影響：

影響星系間介質 (IGM) 的熱狀態和化學成分: 宇宙射線可以加熱和電離 IGM，改變其溫度、密度和化學成分，進而影響星系的形成和演化。
調節恆星形成: 宇宙射線可以通過加熱氣體雲，阻止其冷卻和坍縮，從而抑制恆星形成。
驅動星系風: 宇宙射線可以產生壓力，將星系中的氣體向外推動，形成星系風，進而影響星系的物質循環和化學演化。
產生磁場: 宇宙射線的傳播可以放大和維持星系和大尺度結構中的磁場，進而影響星系的動力學演化和宇宙結構的形成。

總之，黑洞產生的宇宙射線是星系演化和宇宙結構形成的重要因素之一，對理解宇宙的演化歷史具有重要意義。