Почему космические лучи замедляются при прохождении через реликтовое излучение?

Это связано с так называемым эффектом Доплера . Глядя на него с точки зрения космического луча, свет, падающий на него в лоб, имеет действительно высокую энергию, а свет, падающий на него сзади, имеет еще более холодную/низкую энергию, чем то, что мы видим ($2.7$Кельвин).

Если вы хотите придерживаться нашей точки зрения, то да, фотон, попадающий в него сзади, усилит его, но когда вы уравновешиваете сохранение энергии и импульса, удар головой забирает гораздо больше энергии, чем дает задний конец. То, как математика работает с этими законами сохранения, в основном меняет перспективу для человека, который видит, что космический луч и фотон имеют одинаковый импульс в противоположных направлениях (кадр «центр масс»), видит, что происходит, а затем переводит обратно в нашу перспектива. Когда космический луч попадает сзади, в фотоне или космическом луче после изменения перспективы остается очень мало энергии. Однако, когда они сталкиваются лоб в лоб, в целом энергии тоже меньше, но гораздо больше, чем в другом случае. Это происходит потому, что в обоих случаях необходимое изменение перспективы должно двигаться почти так же быстро, как космический луч в том же направлении. Благодаря эффекту Доплера это повысит частоту фотона головы на фотоне и еще больше уменьшит частоту фотона столкновения сзади.

Это становится действительно важным, когда в центре импульсной системы достаточно энергии, чтобы начать делать то, что называется образованием пар . Для каждого типа частиц космические лучи имеют достаточно энергии, чтобы произвести их вместе с реликтовым излучением, тем быстрее они будут терять энергию при столкновениях с ним. Существует даже гипотеза о том, что расстояние, на которое космические лучи могут пройти при превышении определенной кинетической энергии, строго ограничено тем фактом, что они должны производить пионы, когда сталкиваются с реликтовым излучением. Название этого предела — отсечка ГЗК . Если вы хотите знать, почему это предел, а не образование пар электрон-позитрон, пар мюон-антимюон или какой-то другой процесс, я не знаю этих деталей.

Ответ Шона Э. Лейка превосходен и должен быть принятым ответом. Я просто хотел предоставить альтернативный способ увидеть то же самое.

Когда частицы взаимодействуют, они обмениваются энергией. Это приводит ансамбль взаимодействующих частиц к тепловому равновесию , где каждая частица имеет одинаковое распределение энергии, независимо от типа.

Фотоны реликтового излучения имеют очень низкую энергию. Они возникают в результате рекомбинации водорода и с той эпохи даже имеют красное смещение, так что их энергии порядка$10^{-3}\,\mathrm{eV}$. С другой стороны, энергия космических лучей, которые, вероятно, исходят от сверхновых и АЯГ, измеряется в ГэВ и выше (самое быстрое из когда-либо обнаруженных космических лучей имело энергию$3\times10^{20}\,\mathrm{eV}^\dagger$).

Таким образом, энергия космических лучей намного выше, чем у реликтового излучения, и взаимодействие между ними в среднем должно уменьшать энергию космоса.

$^\dagger$_{« …это означало, что он упаковал кинетическую энергию бейсбольного мяча — в один протон » ( Рэндалл Манро, 2012 ).}

Здесь также играет роль обратный эффект Комптона . На своем пути через галактику космические лучи взаимодействуют с микроволновым фоном за счет так называемого обратного комптоновского рассеяния ( Саразин и Лью, 1998 ). Этот эффект передает энергию от частиц к фотонам.

Это наиболее эффективно для частиц с малой массой и в конечном итоге приводит к недопредставлению галактических электронов и позитронов. Следовательно, большинство космических лучей, попадающих в нашу солнечную систему, представляют собой (более тяжелые) протоны. Связанный с этим вопрос: что происходит с электронными спутниками протонов космических лучей?