解开高能宇宙射线来源的百年之谜:超新星残骸是答案

北京时间10月25日消息,据国外媒体报道,大约一个世纪前,科学家开始意识到,在地球大气层中探测到的一些辐射并非来自太阳照射,而是来自宇宙空间。这最终催生了宇宙射线的发现。这些来自外太空的高能粒子(包括质子和原子核),在被剥离电子之后,加速到了相对论速度(接近光速)。然而,围绕这一奇怪并可能带来潜在危害的现象,至今仍有许多谜题尚未解开。

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当高能宇宙射线撞击地球大气层顶部时,就会发生高能粒子“阵雨”。宇宙射线是在1912年意外发现的

这其中就包括宇宙射线的起源问题,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。在日本名古屋大学的一项新研究中,天文学家首次量化了超新星遗迹中产生的宇宙射线的数量。这项研究帮助解决了一个持续百年的谜团,并且是实现精准确定宇宙射线来源的重要一步。

尽管天文学家理论上认为宇宙射线有很多来源,包括太阳、超新星、伽马射线暴和活动星系核(类星体)等,但自1912年首次发现以来,它们的确切起源一直是个谜。天文学家提出的另一个假说是,超新星残骸(超新星爆发的余波)是导致宇宙射线粒子加速到接近光速的原因。

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宇宙射线质子相互作用和电子与光子相互作用分别产生伽马射线的示意图。宇宙射线质子与星际质子(如分子和氢原子)相互作用,产生了中性介子,然后迅速衰变为两个伽马射线光子(强子过程)。宇宙射线电子通过反康普顿散射(轻子过程)激发星际光子(主要是宇宙微波背景辐射),使其转化为伽马射线能量

当宇宙射线穿过银河系时,它们在星际介质的化学演变中扮演着重要角色。因此,了解宇宙射线的起源对于了解星系如何演化至关重要。近年来,随着观测技术的完善,一些科学家利用最新的观测结果推测,超新星残骸可以产生宇宙射线,因为它们加速的质子与星际介质中的质子相互作用,产生了甚高能(VHE)伽马射线。

然而,伽马射线也可以由电子与星际介质中的光子相互作用而产生,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,确定这两种来源中哪一种占比更大,对于确定宇宙射线的来源至关重要。为了阐明这一点,来自名古屋大学、日本国立天文台(NAOJ)和澳大利亚阿德莱德大学的研究人员对超新星遗迹RX J1713.7 3946 (RX J1713)进行了观测。

这项研究的关键是研究人员开发的量化星际空间伽马射线源的新方法。过去的观测表明,在星际介质中,由质子与其他质子碰撞而产生的甚高能伽玛射线的强度与星际气体密度成正比,这一点可以通过无线电线成像来识别。另一方面,在星际介质中由电子与光子相互作用而产生的伽马射线也被认为与来自电子的非热X射线强度成正比。

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为了进行研究,研究团队利用了高能立体视野望远镜系统(HESS)获得的数据。HESS位于纳米比亚,是一个甚高能伽玛射线天文台(由马克斯·普朗克核物理研究所运营)。然后,他们将这些数据与欧洲空间局X射线多镜任务(XMM-牛顿卫星)获得的X射线数据,以及星际介质中气体分布的有关数据结合起来。

通过综合分析这三个数据集,研究人员确定质子占宇宙射线的67±8%,而电子占33±8%——大约是7:3。这些发现具有开创性的意义,因为这是首次对宇宙射线的可能起源进行量化,也是迄今为止表明超新星残骸是宇宙射线来源的最明确证据。

这些结果还表明,由质子产生的伽玛射线在富含气体的星际区域更为常见,而由电子产生的伽玛射线则在气体贫乏的区域强度更高。这支持了许多研究人员的预测,即这两种机制共同影响了星际介质的演变。

该研究的主要作者、名誉教授Yasuo Fukui说:“如果没有国际间的合作,这种全新的方法是不可能实现的。这将应用于更多的超新星遗迹研究中。除了现有的观测站,下一代伽马射线望远镜CTA(切伦科夫望远镜阵列)的启用也将大大推进宇宙射线起源的研究。”

与此同时,来自日本国立天文台的共同作者Hidetoshi Sano博士领导了对欧洲空间局X射线多镜任务档案数据集的分析。从这个角度来说,这项研究显示了国际合作和数据共享如何使各种前沿研究成为可能。随着观测仪器的改进,方法的优化,以及合作机会的增加,人类正进入一个天文学突破成为常态的新时代。(任天)

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