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宇宙线的温床

2014.11.27

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原文标题:A Breeding Ground for Cosmic Rays

作者:Kelly Beatty   原文来自:SkyandTelescope.com   Posted: 2009. 12. 28

编译:Melipal   审校:Linq (编译版权所有,文章有删节。)

当代天文学是一门进展迅速的 学科,几乎每天都有新发现在出现。我们《天空和望远镜》杂志的 员工尽最大的 努力来跟上发现的 步伐,但是有些时候重要的 结果还是会被遗漏。对于11月1日公布《自然》杂志在线版上的 绝佳科学发现来说,情况就是如此。

实际上,这个故事开始于将近1个世纪之前,当时科学家发现,地球大气的 电离度是随着海拔高度的 增加而上升的 。这一现象的 原因是,有某类宇宙辐射从太空深处倾泻到了地球上。但是为这些“射线”——实际上根本不是射线,而是以接近光速的 速度运动的 离子和电子——的 源头定位自那时起就阻挠着观测者。为了解决这道持久的 谜题,他们在航天器、高层大气,甚至是南极冰层之下架起了探测器。

由哈勃太空望远镜、钱德拉X射线天文台以及斯必泽太空望远镜的 观测结合而成的 星 暴星 系 M82的 图象。X射线数据以蓝色表示,红外线以红色表示,红色的 氢元素辐射以橙色表示,蓝光以黄绿色表示。图片的 视场宽度为7角分。(图片提供:NASA / ESA / CXC / JPL / Caltech)

在过去的 20年里,大多数理论家支持超新星 遗迹作为银河系 内最有可能的 宇宙线辐射源的 观点,这些宇宙线粒子能量低于1018电子伏特。(能量更高的 宇宙线被归为河外宇宙线;作为比较,欧洲新近投入使用的 大型强子对撞机预期可以将粒子加速到1013电子伏特。)理论上说,恒星 爆发释放出的 湍动激波应该会产生足够强大的 磁场,将粒子加速到相对论性的 速度上。

但是怀疑论者发现,这种孤立超新星 的 模型中存在严重的 缺陷。尤其重要的 一条原因是,在银河系 中,恒星 的 爆发并不是非常频繁,不能产生实际到达地球的 各向同性强度的 宇宙线。近年来,有关想法转移到了河外源上——尤其是拥有大量易产生超新星 的 大质量恒星 的 区域,那里超新星 膨胀的 激波会在狂暴的 磁场活动中相互交迭。

如此活动的 热门区域是雪茄星 云梅西耶82,位于大熊坐,距离我们1200光年。M82长久以来都是受后院观测者欢迎的 目标,它与其他星 系 (包括M81)纠结在一起,爆发出了产星 活动。M82的 核心区域是尤其活跃的 星 暴区,这里的 直径只有1000光年,拥有上百颗正在形成的 大质量恒星 ,每隔几年就会有一颗发生超新星 爆发。

VERITAS的 观测揭示出了来自梅西耶82的 极高能伽玛射线辐射,图中黑色五角星 表示恒星 的 星 暴区。与整个星 系 等大的 白色圆圈表示VERITAS所见的 模拟点源的 大小。(图片提供:V. A. Acciari / Center for Astrophysics)

天文学家凝视M82已经有一段时间了,他们希望能探测到其中产生于星 暴区的 宇宙线为星 际气体供能之时的 伽玛射线辐射。虽然先前探测伽玛射线的 尝试失败了,矗立在美国亚利桑那州山顶的 新探测器成功了——它得出的 结果就是鼓吹的 一切。极高能辐射成象望远镜阵列系 统(Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System,被幸运地缩写成了VERITAS)发现了来自M82高度集中的 伽玛射线。这意味着,其中的 星 暴区域释放出的 宇宙线是整个银河系 平均值的 500倍。

技术上说,VERITAS阵列也不能探测伽玛射线。它的 4架大型光学望远镜以及超灵敏的 探测器捕捉的 是蓝色切伦科夫辐射的 短暂脉冲,当伽玛射线在大气分子中冲入几英里,并产生次级粒子雪崩的 时候,会形成这种辐射。在2008年1月至2009年4月间,它总共花费了137个小时来定位并测量了M82核心的 活动。

极高能辐射成象望远镜阵列系 统(VERITAS)由4架12米望远镜组成,可以探测极高能伽玛射线在大气中导致的 切伦科夫辐射。点击图片可见大图。(图片提供:S. Criswell / SAO)

在这篇哈佛—史密松天体物理中心的 新闻中可以读到更多VERITAS的 结果。

(全文完)

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