HAWC:具有巨大能量的光子是否來自銀河系的最大「加速器」?

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多年來,在浩瀚的銀河系中,天體物理學家一直在追蹤Pevatrons–具有巨大能量的粒子的天然加速器。多虧了水切倫科夫伽馬射線天文台(HAWC),天文學家剛剛發現了它們存在的另一個可能的蹤跡:具有一些最高能量的光子。然而,特別重要的是,這次高能光子不僅被記錄下來,而且它們可能的起源地也被確定了。

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研究人員知道Pevatrons是存在的,只是不知道它們到底在哪裡,也不知道它們是什麼樣子。它們被認為是我們銀河系中最大的天然粒子加速器,能夠將質子和電子加速到能量甚至比可見光的光子能量大很多億倍。探測pevatrons的問題源於它們加速的粒子帶有電荷,因此會被星系中的磁場所偏轉。HAWC伽馬射線天文台剛剛收集到的數據所帶來的發現,使天文學家更接近於找到第一個宇宙中的 "evatron "並了解其性質。

HAWC天文台位於墨西哥Sierra Negra火山的山坡上,海拔4100米,由300個水箱組成,每個水箱周圍都有敏感的光電倍增管。當二次宇宙輻射的粒子以比光速更快的速度在水中飛行時,進入水箱,就會出現電磁 "轟鳴"–微弱的輻射閃光,由光電倍增管儀探測並放大。對各個水箱中同時觀測到的閃光進行仔細分析,就可以提取出啟動記錄的次級粒子級聯的初級宇宙輻射的粒子類型、能量和方向的信息。

「根據HAWC收集的數據,我們能夠確定能量約為200 teraelectronvolts的光子的來源。對於光子來說,這是一個極端的數值,比我們眼睛感知到的光子的典型能量大一百萬億倍。」來自克拉科夫波蘭科學院核物理研究所(IFJ PAN)的Sabrina Casanova博士說。她與Francisco Sales Greus博士和來自美國密歇根理工大學的博士生黃德志一起,是發表在優秀天文學雜誌《天體物理學雜誌通訊》上的分析報告的主要作者之一。

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與質子和電子相比,光子有一個令人愉快的特點:它們無視磁場,沿著時空允許的最短路徑奔向目標。因此,一旦在一個星系內確定了光子的來源方向,通常就可以確定其來源。這不是一件容易的事,但在這種情況下,它是成功的。200TeV光子的來源原來是最近發現的脈衝星eHWC J1825-134的一個區域,在南半球維拉星座的背景中可見,距離地球約1.3萬光年。

觀測到這樣的高能光子是非常罕見的,要確定來源更是難能可貴。目前的記錄屬於中日ASgamma探測器在西藏探測到的能量為450TeV的光子。在該案例中,光子來自金牛座背景中著名的蟹狀星雲中的一顆脈衝星附近。

"我們現在知道有兩種機制可以解釋能量為200TeV及以上的光子的存在,"Salesa Greus博士解釋說,然後詳細說明。"根據第一種機制,這種高能光子的來源可能是能量稍高的電子,由超新星殘骸或脈衝星發射,然後與充滿宇宙的微波背景輻射相互作用。這種情況似乎符合蟹狀星雲的情況。事件過程的第二種變體假設光子是由於脈衝星發射的質子與星際空間的物質相互作用而誕生的。在這種情況下,特別有趣的是,質子的能量必須比觀測到的光子的能量至少大一個數量級!"

eHWC J1825-134脈衝星的區域是一個複雜的天文結構,其內部有幾個高能伽馬射線源。HAWC的研究人員已經確定,200TeV光子的來源並不是脈衝星本身,而是一個以前未知的來源:附近的星際物質雲。它圍繞著一個年輕的恆星群,年齡約為100萬年,被命名為[BDS2003]8。因此,觀測到的光子可能是由eHWC J1825-134脈衝星發出的質子,在[BDS2003]8星團內,它有足夠的時間在本地磁場中加速到幾PeV的能量,並在與雲的相互作用中產生高能光子。如果這種變異的事件過程在隨後的觀測中得到證實,我們將面對銀河系中發現的第一個 pevatron。

"目前,我們的數據太少,無法明確決定負責在eHWC J1825-134區域產生200TeV光子的宇宙加速器的性質。然而,如果有一個銀河系的 pevatron隱藏在某個地方,我們已經成功地找到了一個非常好的候選者,"Casanova博士指出。

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