7500光年外，發(fā)現(xiàn)兩顆藍(lán)巨星變身加速器，釋放超高能量伽馬射線！

天文學(xué)家使用望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)在證明了一種特定類型的雙星，是一種非常高能的宇宙伽馬輻射源。船底座埃塔雙星位于7500光年外的南天船底座，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，它發(fā)出能量高達(dá)400千兆電子伏特(GeV)的伽馬射線，大約是可見(jiàn)光能量的1000億倍。研究由德國(guó)電子同步加速器研究所（DESY）的斯特凡·歐姆、伊娃·萊瑟和馬蒂亞斯·富布林領(lǐng)導(dǎo)。

并在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》期刊上公布了他們?cè)谫ゑR射線天文臺(tái)高能立體系統(tǒng)(H.E.S.S.)上的發(fā)現(xiàn)。船底座埃塔雙是一個(gè)最高能的雙星系統(tǒng)，由兩顆藍(lán)巨星組成，其中一顆質(zhì)量約為太陽(yáng)的100倍，另一顆質(zhì)量約為太陽(yáng)的30倍。這兩顆恒星每隔5.5年在非常偏心的橢圓軌道上繞對(duì)方運(yùn)行一次，它們之間的距離大約在太陽(yáng)到火星和太陽(yáng)到天王星的距離之間變化。這兩顆巨大恒星都將密集的超音速帶電粒子星風(fēng)拋向太空。

在這個(gè)過(guò)程中，在短短5000年左右的時(shí)間里，兩者中較大的一個(gè)損失了相當(dāng)于一個(gè)太陽(yáng)的質(zhì)量。較小的一顆產(chǎn)生快速恒星風(fēng)，速度約為每小時(shí)1100萬(wàn)公里（約為光速的百分之一）。在這兩種恒星風(fēng)相撞的區(qū)域形成了一個(gè)巨大激波鋒面，將風(fēng)中的物質(zhì)加熱到極高溫度。在5000萬(wàn)攝氏度左右，這種物質(zhì)在X射線范圍內(nèi)輻射明亮。然而，恒星風(fēng)中的粒子還不夠熱，不足以發(fā)射伽馬輻射。然而，像這樣的沖擊區(qū)，通常是亞原子粒子被強(qiáng)大普遍電磁場(chǎng)加速的地方。

超高能量的世界

當(dāng)粒子加速得如此之快時(shí)，它們也可以發(fā)射伽馬輻射。事實(shí)上，由美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)運(yùn)營(yíng)的費(fèi)米衛(wèi)星和意大利航空航天局(ASI)雅居樂(lè)衛(wèi)星在2009年已經(jīng)探測(cè)到來(lái)自船底座埃塔雙星高達(dá)10GeV（吉電子伏）的高能伽馬射線。研究已經(jīng)提出了不同模型來(lái)解釋這種伽馬輻射是如何產(chǎn)生的，它可能是由加速的電子或高能原子核產(chǎn)生。確定這兩種情況中哪一種是正確的至關(guān)重要：非常高能量的原子核占了所謂宇宙射線的大部分。

宇宙射線是一種不斷從各個(gè)方向襲擊地球的亞原子宇宙冰雹。盡管對(duì)宇宙射線進(jìn)行了100多年的密集研究，但宇宙射線的來(lái)源仍然不完全清楚。由于帶電原子核在穿越宇宙星際空間時(shí)受到宇宙磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，它們到達(dá)地球的方向不再指向它們的起源。另一方面，宇宙伽馬射線不會(huì)偏轉(zhuǎn)。因此，如果特定來(lái)源發(fā)出的伽馬射線能夠被證明來(lái)自高能原子核，那么長(zhǎng)期尋找的宇宙粒子輻射加速器之一就會(huì)被識(shí)別出來(lái)。

在船底座埃塔雙星的例子中，電子很難被加速到高能，因?yàn)樗鼈冊(cè)诩铀龠^(guò)程中不斷地被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，這使得它們?cè)俅问ツ芰?。非常高能的伽馬輻射開(kāi)始于100GeV以上，這在船底座埃塔雙星系統(tǒng)中是很難解釋的，因?yàn)樗怯呻娮蛹铀僖?。衛(wèi)星觀測(cè)數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，船底座埃塔雙星也會(huì)發(fā)射超過(guò)100GeV的伽馬輻射，這兩顆藍(lán)巨星近距離相遇的時(shí)候，H.E.SS已經(jīng)成功地探測(cè)到了能量高達(dá)400GeV的這種輻射。

天然的粒子加速器

這使得這兩顆雙星成為已知的第一個(gè)源，在這個(gè)源中，非常高能量的伽馬輻射是由碰撞的恒星風(fēng)產(chǎn)生。德國(guó)電子同步加速器研究所博士生魯斯蘭·科諾與海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的科學(xué)家們發(fā)表了一項(xiàng)配套研究：對(duì)H.E.SS和衛(wèi)星測(cè)量的伽馬輻射進(jìn)行分析表明，這種輻射最好被解釋為原子核加速的產(chǎn)物。這將使碰撞恒星風(fēng)的激波區(qū)，成為一種新型宇宙射線天然粒子加速器。

有了以宇宙射線發(fā)現(xiàn)者維克多·弗朗茨·赫斯(Victor Franz Hess)命名的HES，以及即將到來(lái)的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(CTA)，科學(xué)家們希望更詳細(xì)地研究這一現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)更多此類來(lái)源。切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(CTA)是目前正在智利高地建造的下一代伽馬射線天文臺(tái)。多虧了對(duì)船底座埃塔雙星在所有波長(zhǎng)的詳細(xì)觀測(cè)，恒星的性質(zhì)、軌道和恒星風(fēng)都得到了相對(duì)準(zhǔn)確的確定。這讓天體物理學(xué)家對(duì)雙星系統(tǒng)及其歷史有了更好的了解。

為了說(shuō)明船底座埃塔雙星的新觀測(cè)結(jié)果，德國(guó)電子同步加速器研究所天體物理學(xué)家與獲獎(jiǎng)的科學(xué)傳播實(shí)驗(yàn)室動(dòng)畫(huà)專家一起制作了一段視頻動(dòng)畫(huà)。計(jì)算機(jī)生成的圖像接近真實(shí)，因?yàn)闇y(cè)量的軌道、恒星和風(fēng)參數(shù)都用于此目的。與獨(dú)家創(chuàng)作的聲音一起，科學(xué)家、動(dòng)畫(huà)藝術(shù)家和音樂(lè)家的這種獨(dú)特合作產(chǎn)生了一部多媒體作品，將觀眾帶到7500光年外高能量的雙星上進(jìn)行一次非凡旅行。

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博科園｜研究/來(lái)自：德國(guó)電子同步加速器研究所

參考期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》

DOI: 10.1051/0004-6361/201936761

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