天文學(xué)家測(cè)量了迄今為止最高能量的宇宙電子 _宇宙

H.E.S.S.天文臺(tái)位于納米比亞的科瑪斯高地，海拔1835米，位于南部天空之下。圖片來源：Sabine Gloaguen
據(jù)馬克斯·普朗克學(xué)會(huì)：H.E.S.S.在納米比亞合作的五臺(tái)望遠(yuǎn)鏡用于研究宇宙輻射，特別是伽馬輻射。通過10年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，研究人員現(xiàn)在能夠以超過10萬億電子伏特的前所未有的能量探測(cè)宇宙電子和正電子。
由于帶電粒子被我們宇宙附近的磁場(chǎng)向各個(gè)方向偏轉(zhuǎn) ，因此很難確定它們的起源。然而，這一次，高達(dá)最高能量值的測(cè)量粒子能譜的卓越質(zhì)量開辟了新的可能性：科學(xué)家們懷疑，可能不超過幾千光年遠(yuǎn)的脈沖星可能是來源。
宇宙擁有極端的環(huán)境，從最冷的溫度到最具能量的來源。超新星遺跡、脈沖星或活動(dòng)星系核等極端物體會(huì)產(chǎn)生帶電粒子和伽馬輻射，其能量遠(yuǎn)高于恒星核聚變等熱過程中達(dá)到的能量。
當(dāng)發(fā)射的伽馬射線不受干擾地穿過太空時(shí)，帶電粒子或宇宙射線被宇宙中無處不在的磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn) ，并從各個(gè)方向各向同性地到達(dá)地球。這意味著研究人員無法直接推斷輻射的來源。
此外，帶電粒子通過與光和磁場(chǎng)的相互作用而損失能量。對(duì)于能量超過萬億電子伏特標(biāo)記的高能電子和正電子（電子的帶正電的反粒子），這些損失尤其強(qiáng)烈。
當(dāng)?shù)厍蛏系膬x器測(cè)量到如此高能量的帶電宇宙粒子時(shí)，這意味著它們不可能走得很遠(yuǎn) 。這表明在我們的太陽系附近存在強(qiáng)大的天然粒子加速器。
光譜中的扭結(jié)揭示了起源
在一項(xiàng)新的分析中，美國宇航局合作的科學(xué)家首次縮小了這些宇宙粒子的來源范圍。分析的起點(diǎn)是測(cè)量宇宙射線的光譜，即測(cè)量的電子和正電子的能量分布。該分析基于10年的觀測(cè) ，保證了高數(shù)據(jù)質(zhì)量。積分電子能譜延伸到幾十兆電子伏特。
這篇論文發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。
海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的Werner Hofmann說：“我們的測(cè)量不僅提供了關(guān)鍵的、以前未被探索的能量范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)，影響了我們對(duì)當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)的理解，而且它也可能在未來幾年保持基準(zhǔn) 。” 。
在以TeV能量下相對(duì)較小的誤差條為特征的光譜中，在大約1兆電子伏特處出現(xiàn)了一個(gè)明顯的扭結(jié) 。在這一突破之上和之下，光譜都遵循冪律，沒有任何進(jìn)一步的異常。
穿越銀河系
為了找出是哪個(gè)天體物理過程將電子加速到如此高的能量，以及扭結(jié)的起源，研究人員將這些數(shù)據(jù)與模型預(yù)測(cè)進(jìn)行了比較。候選源是脈沖星，它們是具有強(qiáng)磁場(chǎng)的恒星殘骸。一些脈沖星將帶電粒子風(fēng)吹向周圍環(huán)境，而這種風(fēng)的磁激波前沿可能是粒子受到增強(qiáng)的地方。
這同樣適用于超新星遺跡的激波前沿。計(jì)算機(jī)模型表明，以這種方式加速的電子以一定的能量分布進(jìn)入太空。這些模型追蹤電子和正電子在銀河系中的運(yùn)動(dòng) ，并計(jì)算它們與銀河系中磁場(chǎng)和光相互作用時(shí)的能量變化。
在這個(gè)過程中，粒子損失了太多的能量，以至于它們的原始能譜被扭曲了。在最后一步，天體物理學(xué)家試圖將他們的模型與數(shù)據(jù)相匹配，以便更多地了解天體物理源的性質(zhì) 。
但是，是什么物體將望遠(yuǎn)鏡測(cè)量到的電子拋入太空的呢？能量低于1兆電子伏特的粒子光譜可能由來自不同脈沖星或超新星遺跡的電子和正電子組成。
然而，在更高的能量下，出現(xiàn)了一幅不同的畫面：能譜從大約1兆電子伏特急劇下降。研究天文源加速的粒子及其在銀河磁場(chǎng)中的擴(kuò)散的模型也證實(shí)了這一點(diǎn) 。這種在1兆電子伏特的躍遷特別明顯，異常尖銳。
波茨坦大學(xué)的Kathrin Egberts說：“這是一個(gè)重要的結(jié)果，因?yàn)槲覀兛梢缘贸鼋Y(jié)論，測(cè)量到的電子很可能來自我們太陽系附近的極少數(shù)來源，最遠(yuǎn)可達(dá)幾千光年。” 。與銀河系的大小相比，這個(gè)距離相對(duì)較小。
Egberts繼續(xù)說道：“不同距離的震源會(huì)大大沖刷掉這種扭結(jié) 。” 。
根據(jù)Hofmann的說法，即使是一顆脈沖星也可能對(duì)高能電子光譜負(fù)責(zé) 。然而，目前尚不清楚是哪一顆。由于源必須非常靠近，因此只有少數(shù)脈沖星受到質(zhì)疑。