宇宙线是来自外太空的高能粒子。传统理论认为,其在银河系内的通量和各向异性在数十年的时间尺度上保持恒定。然而,宇宙线进入日球层后会受到太阳活动及日球层活动的影响,随时间发生变化。此前,宇宙线瞬时各向异性的变化仅在约150GeV(十亿电子伏特)以下能段被观测到,TeV(万亿电子伏特)及更高能区的大尺度各向异性是否存在时间演化尚未被证实。
近日,高海拔宇宙线观测站(LHAASO)国际合作组,在TeV能段观测到宇宙线大尺度各向异性的瞬时变化。
2021年11月4日,一次强烈的日冕物质抛射(CME)事件携带激波和磁通量绳结构抵达近地空间,引发强地磁暴。研究团队发展了逐小时天图梯度分析方法,对宇宙线相对强度的空间梯度进行了精确测量。分析发现,在CME激波抵达后、磁通量绳结构到达前的鞘层过境阶段,宇宙线强度分布呈现出大尺度各向异性,其幅度高达约1%,显著度超5倍标准偏差,且来自太阳方向的宇宙线通量明显高于背向太阳方向。这一发现突破了TeV能段宇宙线各向异性恒常不变的传统认知。
团队进一步提出,该瞬时各向异性或源于CME激波与磁通量绳之间的鞘层区域中增强的磁场湍流,对宇宙线粒子的随机散射。在鞘层过境地球时,强磁场湍流集中分布在天空的半球区域,导致沿不同方向传播的宇宙线受到不同程度的散射,从而在TeV能段产生观测到的大尺度各向异性。
该物理机制不同于低能宇宙线被束缚在CME内部的局域磁效应,揭示了TeV宇宙线与行星际磁场结构间独特的相互作用方式,为深入研究宇宙线与等离子体相互作用开辟了新途径。
相关研究成果发表在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。研究工作得到国家自然科学基金委员会、中国科学院等的支持。
论文链接
2021年11月4日WCDA观测到的宇宙线相对强度天图
ICME磁通量绳穿越地球示意图
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