科学家发现从来见过的最高能量的宇宙射线电子

By Victoria Corless

 published 16 hours ago

The Universe

 “了解这些宇宙射线允许我们来揭开在宇宙中往往与最剧烈现象相关的大粒子加速器” 。

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高能立体系统（H.E.S.S. ）望远镜阵列捕捉由高能宇宙电子和正电子以及伽马射线产生的粒子的阵雨的可视化。 (Image credit: Collaboration MPIK/H.E.S.S.)

在十多年的细致数据收集后，在纳米比亚的代表“高能立体系统”的高能立体系统天文台科学家们已经做出了一个突破性的发现。他们已经探测到从来观测到的最高能量的宇宙电子，在我们的理解宇宙中解锁新的途径。

法国国家科学研究中心研究员、高能立体系统合作副主任诺瓦斯（Mathieu de Naurois）告诉太空网站，“宇宙射线是一个百年老的秘密” 。

奥地利物理学家赫斯（Victor Hess）于1912年首次报告的宇宙射线是被在一系列气球上升后发现的，意味了在电镜上探索电离辐射被首次检测到。然而在达到一个5300米的高度后，赫斯揭开了来自太空的一个高能粒子的天然来源。今天，我们叫这些粒子为宇宙射线。

现在高能立体系统的科学家们很兴奋，因为他们已经探测到了迄今为止能量最高的电子和正电子（一个正电子就像一个电子的“对立面”一样因为它有一个电子的质量但像一个质子一样带正电），这构成高能宇宙射线的一个成分。这一发现令人兴奋，因为它提供释放大量能量的极端宇宙过程的切实证据。

诺瓦斯说，“了解这些宇宙射线允许我们来揭开在宇宙中往往与最剧烈现象相关的大粒子加速器：恒星的爆炸，有巨大引力和电磁场的非常紧凑的天体如中子星和脉冲星，灾难性的合并和黑洞”

诺瓦斯说，"酷的部分是因为这种在这个能量的电子很快的失去能量，研究小组相信它们一定来自相对近的地方。在我们的太阳系的附近，有非常有效的宇宙电子加速器，在几百光年内有许多恒星，最近的恒星典型的距离地球两光年远。因此我们会预计在这个区域中有一些‘死恒星’，比如脉冲星或超新星遗迹，它们可能是这些电子的来源” 。

由于几个原因，检测这些有几特拉电子伏能量的高能电子和正电子——比地球上任何粒子加速器能够来取得的——一直是特别挑战性的。

首先星系磁场造成电子从一个直线路径偏离，从看似随机的方向到达地球。其次，天基仪器太小不能捕获足够的这些粒子，部分由于粒子的在空间中分布不均的能量。

换句话说宇宙射线源逐渐的加速粒子，高能粒子更有可能逃离它们的系统。因为达到最高能量要用时间，这导致一个丰富的低能粒子并在更高的能级上逐渐更少的粒子。诺瓦斯解释说，“在高能量下，宇宙射线通量迅速的下降意味着太空仪器收集太少的宇宙射线”。

然而，另一方面间接的探测宇宙射线的地面望远镜有将宇宙射线电子与轰击地球的大气层的无数其他类型的宇宙射线区分开的困难。

诺瓦斯说，“相比之下，高能立体系统有一个巨大的有效面积，使它特别的适合来研究电子光谱的高能部分”。

高能立体系统天文台由五台分布在一个足球场大小区域内的大型望远镜组成，被设计来捕捉发射切伦科夫辐射的大气层阵雨。这种辐射当高能粒子与地球的大气层碰撞时发生，创造望远镜能探测和分析的粒子阵雨。

艺术家的围绕它有强大的磁场旋转的一颗脉冲星的印象。沿着场线移动的带电粒子云发射被磁场聚焦的伽马射线，就像来自一个灯塔的光束一样。在这些磁场中，被创造和加速的成对的正电子和电子，使脉冲星成为高能宇宙电子和正电子的潜在来源。(Image credit: NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab)

尽管它的主要目的是探测伽马射线并发现它们的来源，但该团队重新定目的这些数据来搜索这些高能宇宙射线电子。de Naurois说 “这里使用的算法是基于逐像素比较，在一个预先计算的模型和被相机记录的图像之间用复杂的统计建模特别的可能性分析”。

最初，该算法被适应来检测电子，电子与伽马射线是微妙的不同。他们还必须能够将电子与背景信号区分开。而且因为在数据中电子是罕见的，算法必须被调整通过应用更严格的标准来拒绝其他宇宙射线粒子，但这也造成检测到更少的电子。

诺瓦斯说，为提高精度 “每一次望远镜观测被彻底的仿真，提供一个仪器如何行为的更深了解”。

这为分析宇宙射线电子造成了一套无与伦比的统计数据。该团队证实电子能谱至少延伸到40TeV，这比基于地球加速器的能量探测能力更高400倍。在围绕1 TeV光谱中的一个急剧“断裂”表明在这个能量的电子在银河系内迅速的失去能量，提示正如诺瓦斯所说它们源自相对附近的来源。

他补充道，“这种断裂的尖锐性隐含仅少数或者可能的只有一个宇宙源对这些电子是负责的，如果涉及多个来源光谱会是更平滑的，断裂发生在不同的能级上。最好的候选者是相对老的超新星或来自WR恒星的强恒星风（最初大质量恒星的裸核，它的最初富氢包层已被恒星风去除），但有我们不能排除的其他可能性” 。

该团队说它的其分析不仅提供关键数据还提供了将作为一个未来研究基准的数据。