天文学家长期以来一直在寻找银河系中能量最高的质子的发射地点。现在,一项研究使用了NASA费米伽玛射线太空望远镜12年的数据,证实了一个超新星遗迹就是这样的地方。

探索天文学家如何找到超新星遗迹,该遗迹发射的质子能量是地球上最强大的粒子加速器的10倍。
影像来源:NASA戈达德航天飞行中心

费米已经证明,爆炸恒星的冲击波将粒子提升到与光速相当的速度。这些粒子被称为宇宙射线,主要以质子的形式存在,但也可以包括原子核和电子。因为它们都带有电荷,所以当它们在我们银河系的磁场中快速移动时,它们的路径变得混乱。由于我们无法再分辨它们来自哪个方向,这就掩盖了它们的出生地。但当这些粒子与超新星残骸附近的星际气体碰撞时,它们会产生一种伽马射线——这是能量最高的光。

“理论家们认为银河系中能量最高的宇宙线质子能达到100亿电子伏,或者PeV能量。”麦迪逊威斯康星大学物理学助理教授方柯Ke Fang)说。“它们的来源,也就是我们所说的拍电子伏特宇宙线加速器(PeVatrons),其确切性质一直难以确定。”

这些粒子被混沌磁场困住,反复穿越超新星的冲击波,每次穿越都会获得速度和能量。最终,超新星残骸再也抓不住它们,它们飞快地飞向星际空间。

PeV质子的能量大约是世界上最强大的粒子加速器——大型强子对撞机的10倍,即将完全逃离银河系。

天文学家已经确认了一些可疑的PeVatron,其中一个位于我们银河系的中心。自然地,超新星遗迹是候选名单中的首选。然而,在大约300个已知遗迹中,只有少数被发现会发射足够高能量的伽马射线。

一个特别的恒星残骸引起了伽马射线天文学家的极大关注。它被称为G106.3+2.7,是一个彗星状的云,位于约2,600光年之外的仙王座。一颗明亮的脉冲星覆盖在超新星遗迹的北端,天文学家认为这两个天体是在同一次爆炸中形成的。

费米的主要仪器——大面积望远镜,从残骸的延伸尾部内探测到了十亿电子伏(GeV)伽马射线。(相比之下,可见光的能量大约为2到3GeV之间。)亚利桑那州南部弗雷德·劳伦斯·惠普尔天文台的高能辐射成像望远镜阵列系统(VERITAS)记录了来自同一区域的更高能量伽马射线。墨西哥的高海拔水切伦科夫伽马射线天文台和中国的西藏AS-γ实验阵列都从费米和VERITAS探测的区域探测到了能量为100万亿电子伏(TeV)的光子。

该序列比较了三个能量范围内的费米结果。脉冲星J2229+6114是超新星遗迹G106.3+2.7(用绿色标出)北端顶部的明亮光源。在每个能量范围内,序列首先显示伽马射线的数量,然后与背景模型的预期值进行比较。较亮的颜色表示伽马射线数量较多或过量。在最高能量下,当超新星冲击波加速的质子撞击附近的气体云时,产生了一种新的伽马射线源。
影像来源:NASA/Fermi/Fang et al. 2022

“这个物体已经引起了人们相当大的兴趣一段时间了,但要把它冠以PeVatron的称号,我们必须证明它在加速质子。”华盛顿美国天主教大学和马里兰州格林贝尔特NASA戈达德航天飞行中心的合著者亨利克·弗莱施哈克解释道。“问题在于,加速到几百电子伏的电子可以产生相同的辐射。现在,借助费米12年的数据,我们认为我们已经证明G106.3+2.7确实是一个PeVatron。”

方柯领导的一篇论文详细阐述了这一发现,发表在8月10日的《物理评论快报》上。

脉冲星J2229+6114在自转时会在灯塔状的信标中发出自己的伽马射线,而这种辉光以几GeV的能量在该区域占据主导地位,这种辐射大部分发生在脉冲星自转的前半段。该团队通过只分析来自周期后期的伽马射线,有效地屏蔽了来自脉冲星的辐射。低于10GeV时,残余物尾部没有明显的辐射。

在这个能量之上,脉冲星的干扰可以忽略不计,额外的来源变得很明显。该团队的详细分析压倒性地支持PeV质子是驱动伽马射线发射的粒子。

“到目前为止,G106.3+2.7是独一无二的,但它可能是新的超新星遗迹群中最亮的一员,这些超新星遗迹发射的伽马射线达到了TeV能量。”方指出。“费米天文台和超高能伽马射线天文台未来的观测可能会揭示更多的信息。”

NASA探索宇宙奥秘——这个特殊的谜题需要十多年的前沿观测才能解决。

费米伽马射线太空望远镜是由戈达德管理的天体物理学和粒子物理学合作项目。费米是与美国能源部合作开发,法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国的学术机构和合作伙伴做出了重要贡献。

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/goddard/2022/nasa-s-fermi-confirms-star-wreck-as-source-of-extreme-cosmic-particles

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