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超1亿亿电子伏特宇宙线起源天体找到

来源:科技日报 陆成宽 访问:242 时间:2024-02-26

高能宇宙线从哪里来?这是一个世纪之谜。近日,我国高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)的新发现,让我们离解开这一谜题更近了一步。

2月26日,《科学通报》以封面文章的形式正式发表了一项关于高能宇宙线起源的重要成果。利用“拉索”的观测数据,我国科研人员在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构,在国际上首次找到能量高于1亿亿电子伏特的宇宙线的起源天体。

宇宙线是来自宇宙空间的高能带电粒子,主要由质子和多种元素的原子核组成。由于它携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,因此,研究宇宙线及其起源是探索宇宙的重要途径。

然而,自1912年发现宇宙射线以来,人类却始终没有找到高能宇宙线的起源。“这是一个世纪谜题。2004年,美国国家科学技术委员会将其列为21世纪11个最前沿的科学问题之一。”论文共同通讯作者、中国科学院高能物理研究所曹臻院士说。

那么,高能宇宙线来自哪里,为何这么难以判断?曹臻解释道:“主要是因为宇宙射线带电荷,它们在传播的过程中会受到银河系磁场的影响而发生偏转,到达地球时的方向已经不再指向源头了,无法通过宇宙线的方向来寻找这种天体源。”

幸运的是,宇宙线在其源头被加速后,可能与附近的物质发生碰撞,产生能量约为母体宇宙线能量十分之一的伽马光子。由于伽马光子不带电荷,沿直线传播,因此观测到的伽马光子所来的方向就是该天体源方向,科学家可以借此寻找宇宙线的起源位置。

科学家测量发现,宇宙线的能谱在1000万亿电子伏附近会出现一个拐折结构。这个拐折结构因形状类似膝关节,被称为宇宙线能谱的“膝”。科学家们认为,能量比“膝”低的宇宙线起源于银河系内的天体;而“膝”的存在也表明,银河系大部分的宇宙线源加速质子的能量极限在1000万亿电子伏左右。

但是,究竟何种天体能把宇宙线能量加速到比“膝”高,从而形成“膝”这种能谱结构,仍然是一个未解之谜,也是近年来宇宙线研究中最引人关注的课题之一。

此次,“拉索”在天鹅座恒星形成区发现的巨型超高能伽马射线泡状结构内,就有多个能量超过1000万亿电子伏的伽马光子分布其中,能量最高达到2000万亿电子伏。

“一般来说,产生能量为2000万亿电子伏的伽马光子,需要能量至少高10倍的宇宙线粒子。”曹臻说,因此,这表明泡状结构内部存在超级宇宙线加速器,源源不断地产生能量至少达到2亿亿电子伏的高能宇宙线粒子,明显超过了“膝”的能量,并注入星际空间。

“我们发现,位于巨型超高能伽马射线泡中心附近的大质量恒星星团,最可能是高能宇宙线的起源天体。”论文共同通讯作者、中国科学院高能物理研究所副研究员李骢说。

这个星团由很多表面温度超过35000摄氏度的恒星和表面温度超过15000摄氏度的恒星组成。这些恒星的辐射强度是太阳的百倍至百万倍,巨大的辐射压将恒星表面物质吹出,形成了强烈的星风,速度可达每秒上千公里。星风与周围星际介质的碰撞以及星风之间的猛烈碰撞产生了强激波、强湍流的极端环境,成为强大的粒子加速器。

曹臻表示,这是迄今人们能够认证的第一个高能宇宙线加速源。随着观测时间的增加,“拉索”将可能探测到更多的千万亿电子伏特乃至更高能量宇宙线的加速源,有望解决银河系宇宙线起源之谜。

(原载于《科技日报》 2024-02-26 第02版)

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