7500光年外，發(fā)現(xiàn)兩顆藍(lán)巨星變身加速器釋放超高能量伽馬射線

天文學(xué)家使用望遠(yuǎn)鏡，現(xiàn)在證明了一種特定類型的雙星，是一種非常高能的宇宙伽馬輻射源。船底座埃塔雙星位于7500光年外的南天船底座，根據(jù)收集的數(shù)據(jù)，它發(fā)出能量高達(dá)400千兆電子伏特(GeV)的伽馬射線，大約是可見光能量的1000億倍。研究由德國電子同步加速器研究所（DESY）的斯特凡·歐姆、伊娃·萊瑟和馬蒂亞斯·富布林領(lǐng)導(dǎo)。

并在《天文學(xué)與天體物理學(xué)》期刊上公布了他們在伽馬射線天文臺高能立體系統(tǒng)(H.E.S.S.)上的發(fā)現(xiàn)。船底座埃塔雙是一個最高能的雙星系統(tǒng)，由兩顆藍(lán)巨星組成，其中一顆質(zhì)量約為太陽的100倍，另一顆質(zhì)量約為太陽的30倍。這兩顆恒星每隔5.5年在非常偏心的橢圓軌道上繞對方運行一次，它們之間的距離大約在太陽到火星和太陽到天王星的距離之間變化。這兩顆巨大恒星都將密集的超音速帶電粒子星風(fēng)拋向太空。

在這個過程中，在短短5000年左右的時間里，兩者中較大的一個損失了相當(dāng)于一個太陽的質(zhì)量。較小的一顆產(chǎn)生快速恒星風(fēng)，速度約為每小時1100萬公里（約為光速的百分之一）。在這兩種恒星風(fēng)相撞的區(qū)域形成了一個巨大激波鋒面，將風(fēng)中的物質(zhì)加熱到極高溫度。在5000萬攝氏度左右，這種物質(zhì)在X射線范圍內(nèi)輻射明亮。然而，恒星風(fēng)中的粒子還不夠熱，不足以發(fā)射伽馬輻射。然而，像這樣的沖擊區(qū)，通常是亞原子粒子被強大普遍電磁場加速的地方。

超高能量的世界

當(dāng)粒子加速得如此之快時，它們也可以發(fā)射伽馬輻射。事實上，由美國國家航空航天局(NASA)運營的費米衛(wèi)星和意大利航空航天局(ASI)雅居樂衛(wèi)星在2009年已經(jīng)探測到來自船底座埃塔雙星高達(dá)10GeV（吉電子伏）的高能伽馬射線。研究已經(jīng)提出了不同模型來解釋這種伽馬輻射是如何產(chǎn)生的，它可能是由加速的電子或高能原子核產(chǎn)生。確定這兩種情況中哪一種是正確的至關(guān)重要：非常高能量的原子核占了所謂宇宙射線的大部分。

宇宙射線是一種不斷從各個方向襲擊地球的亞原子宇宙冰雹。盡管對宇宙射線進行了100多年的密集研究，但宇宙射線的來源仍然不完全清楚。由于帶電原子核在穿越宇宙星際空間時受到宇宙磁場的偏轉(zhuǎn)，它們到達(dá)地球的方向不再指向它們的起源。另一方面，宇宙伽馬射線不會偏轉(zhuǎn)。因此，如果特定來源發(fā)出的伽馬射線能夠被證明來自高能原子核，那么長期尋找的宇宙粒子輻射加速器之一就會被識別出來。

在船底座埃塔雙星的例子中，電子很難被加速到高能，因為它們在加速過程中不斷地被磁場偏轉(zhuǎn)，這使得它們再次失去能量。非常高能的伽馬輻射開始于100GeV以上，這在船底座埃塔雙星系統(tǒng)中是很難解釋的，因為它是由電子加速引起。衛(wèi)星觀測數(shù)據(jù)已經(jīng)表明，船底座埃塔雙星也會發(fā)射超過100GeV的伽馬輻射，這兩顆藍(lán)巨星近距離相遇的時候，H.E.SS已經(jīng)成功地探測到了能量高達(dá)400GeV的這種輻射。

天然的粒子加速器

這使得這兩顆雙星成為已知的第一個源，在這個源中，非常高能量的伽馬輻射是由碰撞的恒星風(fēng)產(chǎn)生。德國電子同步加速器研究所博士生魯斯蘭·科諾與海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的科學(xué)家們發(fā)表了一項配套研究：對H.E.SS和衛(wèi)星測量的伽馬輻射進行分析表明，這種輻射最好被解釋為原子核加速的產(chǎn)物。這將使碰撞恒星風(fēng)的激波區(qū)，成為一種新型宇宙射線天然粒子加速器。

有了以宇宙射線發(fā)現(xiàn)者維克多·弗朗茨·赫斯(Victor Franz Hess)命名的HES，以及即將到來的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(CTA)，科學(xué)家們希望更詳細(xì)地研究這一現(xiàn)象，并發(fā)現(xiàn)更多此類來源。切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(CTA)是目前正在智利高地建造的下一代伽馬射線天文臺。多虧了對船底座埃塔雙星在所有波長的詳細(xì)觀測，恒星的性質(zhì)、軌道和恒星風(fēng)都得到了相對準(zhǔn)確的確定。這讓天體物理學(xué)家對雙星系統(tǒng)及其歷史有了更好的了解。

為了說明船底座埃塔雙星的新觀測結(jié)果，德國電子同步加速器研究所天體物理學(xué)家與獲獎的科學(xué)傳播實驗室動畫專家一起制作了一段視頻動畫。計算機生成的圖像接近真實，因為測量的軌道、恒星和風(fēng)參數(shù)都用于此目的。與獨家創(chuàng)作的聲音一起，科學(xué)家、動畫藝術(shù)家和音樂家的這種獨特合作產(chǎn)生了一部多媒體作品，將觀眾帶到7500光年外高能量的雙星上進行一次非凡旅行。

博科園｜研究/來自：德國電子同步加速器研究所

參考期刊《天文學(xué)與天體物理學(xué)》

DOI: 10.1051/0004-6361/201936761

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