美国国家航空航天局费米证实恒星残骸是极端宇宙粒子的来源

天文学家长期以来一直在寻找我们银河系中一些能量最高的质子的发射场。现在，一项使用美国国家航空航天局费米伽马射线太空望远镜12年数据的研究证实，一颗超新星遗迹就是这样一个地方。

探索天文学家是如何定位超新星残骸的，该残骸激发质子的能量是地球上最强大的粒子加速器的10倍。

费米已经证明，爆炸恒星的冲击波将粒子的速度提升到与光相当的速度。这些粒子被称为宇宙射线，主要以质子的形式存在，但也可以包括原子核和电子。因为它们都携带电荷，所以当它们在我们星系的磁场中快速移动时，它们的路径会变得混乱。由于我们再也无法分辨它们来自哪个方向，这掩盖了它们的出生地。但当这些粒子与超新星残骸附近的星际气体碰撞时，它们会产生伽马射线的闪光，这是目前能量最高的光。

威斯康星大学麦迪逊分校物理学助理教授柯芳说：“理论家们认为，银河系中能量最高的宇宙射线质子达到100亿电子伏特。”“它们来源的确切性质，我们称之为PeVatrons，一直很难确定。”

这些粒子被混沌磁场捕获，反复穿过超新星的冲击波，每次通过都会获得速度和能量。最终，残骸无法再容纳它们，它们迅速进入星际空间。

PeV质子被提升到世界上最强大的粒子加速器大型强子对撞机所收集能量的10倍左右，即将完全逃离我们的星系。

天文学家已经确认了一些疑似的PeVatrons，包括我们银河系中心的一个。当然，超新星遗迹是最热门的候选者。然而，在大约300个已知的残留物中，只有少数被发现能发射出足够高能量的伽马射线。

一个特殊的恒星残骸引起了伽马射线天文学家的极大关注。它被称为G106.3+2.7，是一个彗星状的云，位于大约2600光年外的仙王座。一颗明亮的脉冲星覆盖了超新星遗迹的北端，天文学家认为这两个物体是在同一次爆炸中形成的。

费米大面积望远镜是其主要仪器，它探测到了来自残骸延伸尾巴内的十亿电子伏特伽马射线。（相比之下，可见光的能量约在2到3电子伏之间。）亚利桑那州南部弗雷德•劳伦斯•惠普尔天文台的高能辐射成像望远镜阵列系统（VERITAS）记录到了来自同一地区的更高能量伽马射线。墨西哥的高海拔水切伦科夫伽马射线天文台和中国的西藏AS伽马实验都从费米和VERITAS探测的区域探测到了能量为100万亿电子伏的光子。

该序列比较了费米在三个能量范围内的结果。脉冲星J2229+6114是顶部的明亮来源，超新星遗迹G106.3+2.7的北端（绿色轮廓）。在每个能量范围内，序列首先显示伽马射线的数量，然后显示与背景模型的预期相比的过量。颜色越亮表示伽马射线的数量越多或数量过多。在最高能量下，当超新星的冲击波加速的质子撞击附近的气体云时，就会产生新的伽马射线源。

华盛顿美国天主教大学和马里兰州格林贝尔特NASA戈达德太空飞行中心的合著者Henrike Fleischack解释道：“这个物体已经引起了人们的极大兴趣，但要将其命名为PeVatron，我们必须证明它正在加速质子。”“问题是，加速到几百TeV的电子可以产生相同的发射。现在，借助12年的费米数据，我们认为我们已经证明G106.3+2.7确实是PeVatron。”

方领导的一篇论文详细介绍了这一发现，并于8月10日发表在《物理评论快报》杂志上。

脉冲星J2229+6114在旋转时在灯塔般的灯塔中发射自己的伽马射线，这种辉光在该区域占主导地位，能量只有几GeV。这种发射大部分发生在脉冲星旋转的前半部分。该团队通过只分析来自周期后半段的伽马射线，有效地关闭了脉冲星。在10 GeV以下，残骸的尾部没有明显的发射。

在这个能量之上，脉冲星的干扰是可以忽略不计的，额外的源变得很明显。该团队的详细分析压倒性地支持PeV质子作为驱动这种伽马射线发射的粒子。

方指出：“到目前为止，G106.3+2.7是独一无二的，但它可能是新一代超新星遗迹中最亮的一员，这些遗迹发射的伽马射线达到了TeV的能量。”“通过费米天文台和高能伽马射线天文台未来的观测，可能会发现更多这样的现象。”

美国国家航空航天局探索宇宙奥秘，这个特殊的谜题花了十多年的尖端观测才得以解开。

费米伽马射线太空望远镜是戈达德管理的天体物理学和粒子物理学合作伙伴。费米是与美国能源部合作开发的，法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国的学术机构和合作伙伴做出了重要贡献。

横幅图片：美国国家航空航天局费米伽马射线太空望远镜在工作的插图

资料来源：美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心概念图像实验室