7500光年外,发现两颗蓝巨星变身加速器,释放超高能量伽马射线

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天文学家使用望远镜,现在证明了一种特定类型的双星,是一种非常高能的宇宙伽马辐射源。船底座埃塔双星位于7500光年外的南天船底座,根据收集的数据,它发出能量高达400千兆电子伏特(GeV)的伽马射线,大约是可见光能量的1000亿倍。研究由德国电子同步加速器研究所(DESY)的斯特凡·欧姆、伊娃·莱瑟和马蒂亚斯·富布林领导。

并在《天文学与天体物理学》期刊上公布了他们在伽马射线天文台高能立体系统(H.E.S.S.)上的发现。船底座埃塔双是一个最高能的双星系统,由两颗蓝巨星组成,其中一颗质量约为太阳的100倍,另一颗质量约为太阳的30倍。这两颗恒星每隔5.5年在非常偏心的椭圆轨道上绕对方运行一次,它们之间的距离大约在太阳到火星和太阳到天王星的距离之间变化。这两颗巨大恒星都将密集的超音速带电粒子星风抛向太空。

7500光年外,发现两颗蓝巨星变身加速器,释放超高能量伽马射线-第1张图片-IT新视野

在这个过程中,在短短5000年左右的时间里,两者中较大的一个损失了相当于一个太阳的质量。较小的一颗产生快速恒星风,速度约为每小时1100万公里(约为光速的百分之一)。在这两种恒星风相撞的区域形成了一个巨大激波锋面,将风中的物质加热到极高温度。在5000万摄氏度左右,这种物质在X射线范围内辐射明亮。然而,恒星风中的粒子还不够热,不足以发射伽马辐射。然而,像这样的冲击区,通常是亚原子粒子被强大普遍电磁场加速的地方。

超高能量的世界

当粒子加速得如此之快时,它们也可以发射伽马辐射。事实上,由美国国家航空航天局(NASA)运营的费米卫星和意大利航空航天局(ASI)雅居乐卫星在2009年已经探测到来自船底座埃塔双星高达10GeV(吉电子伏)的高能伽马射线。研究已经提出了不同模型来解释这种伽马辐射是如何产生的,它可能是由加速的电子或高能原子核产生。确定这两种情况中哪一种是正确的至关重要:非常高能量的原子核占了所谓宇宙射线的大部分。

宇宙射线是一种不断从各个方向袭击地球的亚原子宇宙冰雹。尽管对宇宙射线进行了100多年的密集研究,但宇宙射线的来源仍然不完全清楚。由于带电原子核在穿越宇宙星际空间时受到宇宙磁场的偏转,它们到达地球的方向不再指向它们的起源。另一方面,宇宙伽马射线不会偏转。因此,如果特定来源发出的伽马射线能够被证明来自高能原子核,那么长期寻找的宇宙粒子辐射加速器之一就会被识别出来。

7500光年外,发现两颗蓝巨星变身加速器,释放超高能量伽马射线-第2张图片-IT新视野

在船底座埃塔双星的例子中,电子很难被加速到高能,因为它们在加速过程中不断地被磁场偏转,这使得它们再次失去能量。非常高能的伽马辐射开始于100GeV以上,这在船底座埃塔双星系统中是很难解释的,因为它是由电子加速引起。卫星观测数据已经表明,船底座埃塔双星也会发射超过100GeV的伽马辐射,这两颗蓝巨星近距离相遇的时候,H.E.SS已经成功地探测到了能量高达400GeV的这种辐射。

天然的粒子加速器

这使得这两颗双星成为已知的第一个源,在这个源中,非常高能量的伽马辐射是由碰撞的恒星风产生。德国电子同步加速器研究所博士生鲁斯兰·科诺与海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的科学家们发表了一项配套研究:对H.E.SS和卫星测量的伽马辐射进行分析表明,这种辐射最好被解释为原子核加速的产物。这将使碰撞恒星风的激波区,成为一种新型宇宙射线天然粒子加速器。

有了以宇宙射线发现者维克多·弗朗茨·赫斯(Victor Franz Hess)命名的HES,以及即将到来的切伦科夫望远镜阵列(CTA),科学家们希望更详细地研究这一现象,并发现更多此类来源。切伦科夫望远镜阵列(CTA)是目前正在智利高地建造的下一代伽马射线天文台。多亏了对船底座埃塔双星在所有波长的详细观测,恒星的性质、轨道和恒星风都得到了相对准确的确定。这让天体物理学家对双星系统及其历史有了更好的了解。

为了说明船底座埃塔双星的新观测结果,德国电子同步加速器研究所天体物理学家与获奖的科学传播实验室动画专家一起制作了一段视频动画。计算机生成的图像接近真实,因为测量的轨道、恒星和风参数都用于此目的。与独家创作的声音一起,科学家、动画艺术家和音乐家的这种独特合作产生了一部多媒体作品,将观众带到7500光年外高能量的双星上进行一次非凡旅行。

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