星系团碰撞激发宇宙射线

这张图片显示了星系团CIZAJ2242.8+5301，它正在与另一个星系团合并。红色显示了印度巨型米波射电望远镜观测到的由此产生的冲击波的无线电发射。蓝色显示了ROSAT卫星观测到的热气体的X射线发射。

一项新的研究发现，星系团之间的巨大碰撞可能会产生宇宙中移动最快、能量最高的粒子。

这些被称为宇宙射线的高能亚原子粒子以接近光速的速度在太空中呼啸而过，大约每秒186000英里（300000公里）。它们大多是质子，有些质子的冲击力足以在撞击地球时摧毁电气系统。

新的研究表明，最强大的宇宙射线可能会被超级加速到令人难以置信的速度，同时承受星系团碰撞产生的巨大而持久的冲击波。

荷兰莱顿大学的首席作者Reinout van Weeren说：“在我们自己的银河系中，我们知道没有任何来源可以产生如此高能的粒子。”“现在我们已经记录了一个可能的来源。”

扫描射电天空使用三台不同射电望远镜的观测结果，van Weeren和他的同事在一片天空中发现了一个巨大的射电波长发射弧。这个弧很细，但非常长——它横跨大约650万光年，比我们银河系的宽度大60多倍。

该弧位于CIZA J2242.8+5301星系团的北郊，距离地球约25亿光年。天文学家还在星团的南侧发现了一个较小的姊妹弧。

其他天文学家先前的研究表明，CIZA J2242.8+5301被拉长，表明它正在与另一个星团合并。这样的星系合并是戏剧性的事件，大群星系碰撞在一起形成一个单一的超结构。它们还有其他戏剧性的后果。

“星系团是宇宙中最大的天体，”范维伦告诉太空网。“如果你把其中两个碰撞在一起，就会产生巨大的冲击波。”

范维伦说，这些星系团嵌入在一种致密气体介质中。他补充道，随着冲击波的膨胀，它在这种介质中传播，就像飞机打破音障时音爆在空气中传播一样。

冲击波示踪剂科学家此前曾怀疑，星团碰撞冲击波可以将粒子加速到巨大的能量。质子和电子——包含在冲击波两侧的磁场中——应该在冲击中来回反弹，随着时间的推移移动得越来越快，然后最终逃逸。

而且，正如理论所说，这种事件应该有一个信号：快速移动的电子在波中扭曲、转动和加速时应该会发出辐射。

研究人员说，新发现证实了这一理论工作。

无线电弧是冲击波的直接示踪剂，这些所谓的“无线电遗迹”提供了证据，证明冲击波已经将粒子加速到接近光速。

范维伦说：“仅仅从形状上，你几乎可以立即看出它是由冲击波引起的。”

该团队还对CIZA J2242.8+5301进行了计算机模拟，对其合并和冲击波进行了建模。研究人员表示，该团队的观测结果与模型的预测结果完全吻合。

这项研究在9月23日的《科学》杂志在线版上有详细介绍。

加速10亿年科学家认为许多宇宙射线来自我们银河系的超新星爆炸。范维伦说，但有些粒子的能量太大，无法解释这一点。

例如，1991年，犹他州的一个探测器探测到了一条动能约为50焦耳的宇宙射线，大约相当于一个棒球以每小时60英里（97公里）的速度行进。

这项新的研究表明，这些超高能粒子中的一些可能来自远离地球的星团合并。

研究人员表示，像CIZA J2242.8+5301这样的冲击波可以持续超过10亿年。这是足够的时间让粒子加速到接近光速。

研究人员说，这一发现还表明，天文学家可能可以通过扫描天空寻找无线电遗迹来确定更多的冲击波。

他们补充道，如果天文学家能够发现更多的激波锋，他们可能能够更好地处理星团碰撞，这些戏剧性的事件会改变宇宙中巨大区域的结构。