天文学家测量迄今为止最高能量的宇宙电子

Josiah02 · 发表于 2024-11-28 00:33:15

纳米比亚 HESS 合作项目的五架望远镜用于研究宇宙辐射，尤其是伽马辐射。通过 10 年的观测数据，研究人员现在已经能够探测到能量超过 10 兆电子伏特的宇宙电子和正电子。
由于带电粒子在我们宇宙附近的磁场中向各个方向偏转，因此很难确定它们的来源。然而，这一次，测量到的粒子能谱在最高能量值下表现出色，这为人们提供了新的可能性：科学家们怀疑，距离我们不超过几千光年的脉冲星可能是其来源。
宇宙中存在着极端环境，从最低的温度到最有能量的源头。超新星遗迹、脉冲星或活跃星系核等极端物体会产生带电粒子和伽马射线，其能量远高于恒星核聚变等热过程所达到的能量。
虽然发射出的伽马射线不受干扰地穿越太空，但带电粒子（或宇宙射线）会受到宇宙中无处不在的磁场的影响，并从各个方向各向同性地到达地球。这意味着研究人员无法直接推断辐射的来源。
此外，带电粒子与光和磁场相互作用时会损失能量。能量最高的电子和正电子（带正电的电子反粒子）的能量损失尤其严重，其能量超过兆电子伏特。
当地球上的仪器测量到如此高能量的带电宇宙粒子时，这意味着它们不可能传播太远。这表明我们的太阳系附近存在强大的天然粒子加速器。
光谱的扭曲揭示了起源
在一项新的分析中，来自 HESS 合作项目的科学家首次缩小了这些宇宙粒子的来源范围。分析的起点是测量宇宙射线的光谱，即测量的电子和正电子的能量分布。该分析基于 10 年的观测，这保证了数据的高质量。积分电子光谱延伸至数十兆电子伏特。
该论文发表在《物理评论快报》杂志上。
海德堡马克斯普朗克核物理研究所的沃纳霍夫曼说：“我们的测量不仅提供了至关重要的、以前未探索过的能量范围内的数据，影响了我们对当地社区的理解，而且它还可能在未来几年继续成为基准。”
在 TeV 能量下误差较小的光谱中，大约 1 兆电子伏特处有一个明显的拐点。在这个拐点之上和之下，光谱都遵循幂律，没有任何其他异常。
穿越银河系
为了查明是哪种天体物理过程将电子加速到如此高的能量，以及这种扭曲的起源，研究人员将这些数据与模型预测进行了比较。源头候选者是脉冲星，它们是具有强磁场的恒星残骸。一些脉冲星会将带电粒子风吹向周围环境，而这种粒子风的磁激波前沿可能是粒子受到加速的地方。
超新星遗迹的激波前沿也是如此。计算机模型显示，以这种方式加速的电子以一定的能量分布进入太空。这些模型跟踪电子和正电子在银河系中的移动，并计算它们在与银河系磁场和光相互作用时的能量变化。
在此过程中，粒子会损失大量能量，导致其原始能谱扭曲。在最后一步，天体物理学家会尝试将他们的模型与数据进行匹配，以便进一步了解天体物理源的性质。
但是，是什么物体将望远镜测量到的电子抛射到太空呢？能量低于一兆电子伏特的粒子谱可能由来自不同脉冲星或超新星遗迹的电子和正电子组成。
然而，在更高的能量下，情况则有所不同：能量谱从大约 1 兆电子伏特开始急剧下降。研究天体加速粒子及其在银河系磁场中扩散的模型也证实了这一点。在 1 兆电子伏特时，这种转变尤为明显且异常尖锐。
波茨坦大学的凯瑟琳·埃格伯茨说：“这是一个重要的结果，因为我们可以得出结论，测量到的电子很可能来自我们太阳系附近的极少数来源，最多距离几千光年。”与银河系的大小相比，这个距离相对较小。
埃格伯茨继续说道：“不同距离的光源会显著消除这种扭曲。”
霍夫曼认为，即使是单个脉冲星也可能对高能电子光谱产生影响。但目前尚不清楚是哪一个。由于源必须非常接近，因此只有少数脉冲星受到质疑。

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