超新星“残骸”在深空中炸出宇宙射线

By Robert Lea 

2022/8/13

Science & Astronomy

天文学家将宇宙射线追踪到用比大型强子对撞机更大10倍能量发射粒子的天体上。

 艺术家的一颗超新星暴击一颗伴星的描绘，见右下角。(Image credit: NASA, ESA, Leah Hustak (STScI))

一些撞进地球的太空辐射有一个爆炸的起源。

天文学家发现了来自一个超新星爆炸的残骸，潜在的能够炸出频繁的轰击地球的高能粒子或宇宙射线。

他们的新发现将垂死恒星创造的冲击波和残骸与太空中的自然高能质子加速器联系起来，这些加速器被称为极端皮塔电子伏特加速器（PeVatrons）。这些有趣的宇宙加速器------它们因它们的将粒子能量提升到极端皮塔电子伏特（peta-electronvolt（PeV））的能力有这个名字----- 从未被结论性的识别。

在这项研究之前，少数几个可疑的极端皮塔电子伏特加速器已经被识别指纹，其中包括我们银河系中心的一个。研究小组说他们的新发现一个超新星爆炸的剩余物 ------一种叫G106.3 + 2.7的物质云 ------可能是迄今为止最承诺的候选。

这个残骸潜伏在距离地球2600光年远的地方，拥有一个彗星形状并在一端有一颗明亮的脉冲星------一颗高度磁性的旋转中子星。

因为中子星当恒星经历引力坍塌时形成，这也发射出超新星，研究人员有好的来认为脉冲星和超新星残骸云被相同的暴力事件创造的理由。

利用美国宇航局的费米大面积望远镜，天文学家发现了一个高能伽马射线余辉，这意味着G106.3 + 2.7可能能够是与极端皮塔电子伏特加速器相关的以相当于100万10亿电子伏特的能量爆出粒子的壮举------是地球最强大的粒子加速器大型强子对撞机产生的能量的10倍。

威斯康星大学麦迪逊分校物理学助理教授方可（Ke Fang）在美国宇航局的一份声明中说，“理论家认为银河系中能量最高的宇宙射线质子达到一百万10亿电子伏特或皮塔电子伏特能量，它们来源的精确性质，我们称之为极端皮塔电子伏特加速器，一直很难定下来”。

科学家们怀疑来自死亡恒星的超新星残骸当带电粒子被它们周围的磁场困住时加速粒子来达到如此高的能量。这个过程允许来自超新星的冲击波反复的冲击被陷住的粒子，每次增加它们的能量。最后，这些粒子是如此高能以至于超新星的残骸不能抓住它们，粒子以接近光速的速度逃逸进入太空中，就像宇宙射线一样。

追踪宇宙射线回到超新星残骸一直很困难，因为包含宇宙射线的质子是带电的。如此宇宙射线在随它们穿越太空旅行时与磁场相互作用容易来散射。因此，天文学家不能容易的告诉光线当它们最终到达我们的星球时来自哪个方向。

然而，因为质子的加速到如此高的速度造成伽马射线的发射，这种高能光可能是探测宇宙射线源的一个好代理。

费米和亚利桑那州南部弗雷德劳伦斯惠普尔天文台的甚高能辐射成像望远镜阵列系统（VERITAS）都从G106.3 + 2.7超新星残骸的尾部探测到了伽马射线。此外，其他天文台已经发现了来自同一区域的极高能光子，指明这真的可能是一个极端皮塔电子伏特加速器。

美国宇航局位于马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心研究员恒莱克弗雷施海客说， “这个天体一直是一个现在这段时间可考虑兴趣的来源，但要把它加冕为一个极端皮塔电子伏特加速器，我们必须证明它正在加速质子” 。

 “要点是加速到几百特拉电子伏特（TeV）的电子能产生相同的发射。现在，用12年费米数据的帮助，我们认为我们已经做出了G106.3 + 2.7真的是一个极端皮塔电子伏特加速器的情况”。

为了分析来自彗星形云的伽马射线，该团队必须首先考虑脉冲星------标榜为J2229 + 6114------随它快速旋转发出它自己的伽马射线。因为高能光仅在脉冲星的旋转周期的一半时间期间朝向地球发射，研究人员只是忽略了这一期间的伽马射线发射。

G106.3 + 2.7的尾部似乎发射能量低于10千兆电子伏特（GeV）的伽马射线光子，高于这个基准，脉冲星的影响是小的。缺乏低于10 GeV的伽马射线也表明探测到的发射不是被加速电子造成的。

这一发现导致了研究人员来推断来自G106.3 + 2.7的一些伽马射线的来源真的是加速到皮塔电子伏特（PeV）级能量的质子。

     方说，“到目前为止，G106.3 + 2.7是独一无二的，但它可能原来是发射伽马射线到达特拉电子伏特能量的新超新星残骸群中最亮的成员，通过未来的费米和非常高能伽马射线天文台的观测它们中更多的可能被揭示”。

该团队的发现被在8月10日发表在Physical Review Letters上的一篇论文讨论。