银河系中发现了十二种超高能粒子加速器

新的观测结果帮助天文学家深入研究宇宙射线从何而来这一长期存在的谜团。

 
蟹状星云是超高能量宇宙射线的来源之一。(图片来源:NASA, ESA, J. Hester和A. Loll(亚利桑那州立大学))

随着研究人员在我们的星系中发现了12个超级强大的天然粒子加速器，一个百年的天体之谜离解决又近了一步。

这些发现有助于天文学家理解宇宙射线的起源，即带电粒子和原子核以接近光速的速度在太空中飞行，它们充满了令人难以置信的能量。

美国国家航空航天局(NASA)表示，1912年发现的宇宙射线几乎来自银河系的各个方向，尽管科学家尚未确定它们是如何达到超高速的。

中国南京附近紫金山天文台的天体物理学家刘思明告诉《生命科学》，许多研究人员怀疑，大质量恒星在超新星爆炸中死亡时，宇宙射线被抛出。在这样的事件中，“恒星在两个月内释放的能量相当于它们整个生命的总量，”他补充说。

但即使像这样的强力爆炸，也只能赋予宇宙射线不到一千万电子伏特(PeV)或一千万亿电子伏特的电压，刘说。天文台捕捉到的超高能量宇宙射线的能量超过了这一水平，到目前为止，没有人能弄清楚它们来自宇宙的什么地方。

刘说，发现宇宙射线的来源一直很困难，因为带电实体会被银河系中丰富的磁场偏转。他补充说，这意味着在地球上捕捉到的宇宙射线不会直接指向它的原点。

但是当它们从它们的源头喷射出去时，宇宙射线可以与周围的气体相互作用，产生具有宇宙射线十分之一能量的伽马射线。这些射线是不带电的，因此沿直线传播，为发现它们的来源提供了一种方法。

刘和他的同事们利用中国的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)来间接观测伽马射线光。LHAASO是一个正在建设中的设施，位于四川省青藏高原边缘的海子山上。根据一份新闻稿，当伽马射线撞击地球大气层时，它们会产生一簇粒子，LHAASO的数千个探测器可以捕捉到这些粒子，这些粒子最终会扩散到0.4平方英里(1平方公里)的区域。

虽然这些数据是在阵列只有一半工作的情况下获得的，但它能够揭示银河系各处的12个来源，它们被称为PeVatrons，因为它们能够向亚原子粒子注入相当于peta电子伏特的能量。这些实体的能量至少是地球上最大的粒子加速器——大型强子对撞机(Large Hadron Collider)的100倍。

该团队还发现了迄今为止最强大的伽马射线光子，即光粒子，个具有1.4 PeV的物体。他们于5月17日在《自然》杂志上发表了他们的发现。

在pevatron中有一些我们熟悉的物体，比如蟹状星云，已知它包含一颗被称为脉冲星的死亡恒星，这颗脉冲星可能是宇宙射线的加速器。但是这个列表还包括天鹅座的一个活跃的恒星形成区，让研究人员挠头弄不清是什么在那里发射出如此强大的粒子。

LHAASO只能精确定位几十光年或几百光年内的PeVatron源，刘说，所以很难确切知道每个区域的什么物体导致了加速度。

然而，“这是重要的一步，”德国马克斯·普朗克物理研究所的天体粒子物理学家Razmik Mirzoyan告诉Live Science。Mirzoyan补充说，LHAASO很快将比以往任何同类望远镜都大4倍，从而开启超高能量观测的新时代。

Mirzoyan参与了一个合作项目，该项目正在南半球建立一个类似的设施，以研究超高能量宇宙射线源。他说，通过将来自该设施的信息与观测电磁光谱的望远镜和观测中微子的望远镜的数据结合起来，该领域有可能在大约10年内最终知道这些神秘实体的起源。

刘同意，未来用LHASSO和其他仪器进行的观测将有助于查明宇宙射线是如何达到如此惊人的速度和能量的。“我们希望我们能解决这个问题，”他说。“这些观察结果为回答这个问题提供了可能。”