解开百年之谜:天文学家找到了高能宇宙射线的来源

大约一个世纪前,科学家们开始意识到,他们在地球大气层中探测到的一些辐射并非源自本地。这最终催生了宇宙射线的发现,高能质子和原子核被剥夺了电子并加速到相对论速度(接近光速)。然而,围绕着这种奇怪的(和潜在的)现象仍有几个谜团。这包括关于它们的起源以及宇宙射线的主要成分(质子)如何被加速到如此高的速度的问题。由于名古屋大学领导的一项新研究,科学家们首次量化了超新星遗迹中产生的宇宙射线的数量。

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这项研究帮助解开了一个百年之谜,是朝着精确确定宇宙射线的来源迈出的重要一步。

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虽然科学家们理论上认为宇宙射线的来源很多--太阳、超新星、伽马射线暴(GRBs)和活动星系核(又称类星体)--但自从1912年首次发现以来,它们的确切来源一直是个谜。同样,天文学家们推测,超新星残骸是将它们加速到接近光速的原因。

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当宇宙射线穿越我们的银河系时,它们在星际介质(ISM)的化学演变中发挥了作用。因此,了解它们的起源对于了解星系如何演变至关重要。近年来,改进的观测结果使一些科学家推测,超新星残骸产生了宇宙射线,因为它们加速的质子与ISM中的质子相互作用,产生了极高能量 (VHE)的伽马射线。

然而,伽马射线也是由电子与ISM中的光子相互作用产生的,这些光子可以是红外光子或宇宙微波背景(CMB)的辐射形式。因此,确定哪一个来源更大,对于确定宇宙射线的来源是最重要的。希望阐明这一点,研究小组--包括来自名古屋大学、日本国家天文台(NAOJ)和澳大利亚阿德莱德大学的成员--观察了超新星遗迹RX J1713.7?3946(RX J1713)。

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他们研究的关键是他们开发了一种新的方法来量化星际空间的伽马射线来源。过去的观测表明,由质子与ISM中的其他质子碰撞引起的VHE伽马射线的强度与星际气体密度成正比,这一点用无线电线成像就可以分辨出来。另一方面,由电子与ISM中的光子相互作用引起的伽马射线也有望与电子的非热X射线强度成正比。

为了进行研究,该小组依靠高能立体系统(HESS)获得的数据,这是一个位于纳米比亚的VHE伽马射线观测站(由马克斯-普朗克核物理研究所运营)。然后他们将其与欧空局X射线多镜任务(XMM-牛顿)观测站获得的X射线数据以及星际介质中气体分布的数据结合起来。

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然后,他们将所有三个数据集结合起来,确定质子占宇宙射线的67±8%,而宇宙射线电子占33±8%--大约是70/30的比例。这些发现是突破性的,因为它们是第一次对宇宙射线的可能来源进行量化。它们也构成了迄今为止最明确的证据,证明超新星残骸是宇宙射线的来源。

这些结果还表明,质子引起的伽马射线在气体丰富的星际区域更常见,而电子引起的伽马射线在气体贫乏的区域则会增强。这支持了许多研究人员的预测,即这两种机制共同影响了ISM的演变。该研究的主要作者,名誉教授 Yasuo Fukui说:

"如果没有国际合作,这种全新的方法是不可能完成的。(它)将被应用于更多的超新星遗迹,除了现有的观测站之外,使用下一代伽马射线望远镜CTA(切伦科夫望远镜阵列),这将大大推进宇宙射线起源的研究。"

除了领导这个项目外, Yasuo Fukui自2003年以来一直致力于利用智利拉斯坎帕纳斯天文台的NANTEN射电望远镜和澳大利亚望远镜紧凑型阵列对星际气体分布进行量化。由于阿德莱德大学的Gavin Rowell教授和Sabrina Einecke博士(该研究的共同作者)以及H.E.S.S.团队,伽马射线观测站的空间分辨率和灵敏度终于达到了可以对两者进行比较的程度。

同时,共同作者NAOJ的Hidetoshi Sano博士领导了对XMM-牛顿观测站的档案数据集的分析。在这方面,这项研究也显示了国际合作和数据共享是如何促成各种前沿研究的。伴随着仪器的改进,方法的改进和更多的合作机会,正在导致一个天文学突破成为经常发生的时代。

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