探測到迄今最高能伽馬射線,能量破紀錄翻倍達 955 TeV

作者 | 發布日期 2021 年 04 月 09 日 14:49 | 分類 天文 , 航太科技 Telegram share ! follow us in feedly


銀河系中某個物體正在產生無法解釋的爆發,能量比地球上任何人造粒子加速器還要強上百倍。位於西藏的 ASgamma 實驗設備近日探測到迄今為止最高能伽馬射線,能量達 957 TeV,已接近下一領域 PeVatron 天體發出的 PeV 能量範圍。

首先我們要區分一下宇宙射線和伽馬射線。宇宙射線主要由單純的質子(89%)或氦原子核(10%,即 α 粒子)之類的粒子構成,能量有高有低(比如我們的太陽就會產生低能宇宙射線,能量通常不高於 1 GeV),而高能宇宙射線普遍認為來自太陽系外的超新星、超新星殘骸、新生恆星形成區域或超大質量黑洞,因這些地方擁有強大的磁場可加速粒子。然而宇宙射線帶電荷,這代表當它們經過磁場時容易被偏轉改向,所以很難靠單一探測追溯到宇宙射線源頭。

但凡走過必留下痕跡。宇宙射線在行進過程中會與星際介質相互作用,導致原子衰變進而產生高能伽瑪射線光子,能量約為宇宙射線母體的 10%,由於伽瑪射線不具電荷、故完全不受磁場影響,是揭露高能宇宙射線的理想訊息載體。

幸運的話,伽馬射線與地球大氣相撞,散射成一系列無害亞原子粒子組成的「粒子雨」,這些粒子降到地面時能量已大減,而天文學家就利用跨越數公里的望遠鏡陣列來捕捉它們,比如 ASgamma 設備。

2019 年時,ASgamma 就接收到來自蟹狀星雲的 100 TeV 高能伽瑪射線,是當時伽馬射線能量的最高紀錄。

而這次,ASgamma 望遠鏡陣列找到 23 條沒有特定源頭、散佈在整個銀河盤面的伽馬射線,能量範圍介於 400~955.7 TeV,而這其中包含 1 個打破過去最高紀錄、能量接近 PeV 範圍的超高能伽馬射線(十進位單位:eV→KeV→MeV→GeV→TeV→PeV)。

上述已提到伽馬射線能量僅為母體宇宙射線的 10%,如今探測到能量高達 955.7 TeV 的伽馬射線,強烈暗示宇宙中存在被某種天體加速到 10 PeV以上的宇宙射線(1 PeV = 1 TeV 1,000 倍),科學家稱這種天體為 PeVatron。不過 ASgamma 找到的伽馬射線位置又很隨機,這說明能將宇宙射線加速到 PeV 能量的 PeVatron 天體可能散佈在整個銀河系中,也不排除宇宙射線來自銀河系外。

科學家下一步將嘗試尋找 PeVatron 天體。但也許它們有一些如今已經消失了,就像滅絕的恐龍一樣,僅僅留下宇宙射線和伽馬射線作為它存在過的證據。

如果能找到一個活躍中的 PeVatron 天體,科學家就能展開更多研究,比如什麼天體會發射能量達 PeV 等級的伽馬射線和宇宙射線?如何將宇宙射線加速到 PeV 能量範圍?這些射線又如何在銀河系內傳播?新論文發表在《物理評論快報》(Physical Review Letters)。

(首圖來源:美國物理學會

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