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高海拔观测站研究地球附近丰富反物质的来源


【勘误的勘误】

在昨天的推送从木星到宇宙:詹姆斯·韦伯太空望远镜选定了第一批观测目标中,有一处有读者指出似有不妥:第一段中有“...要完成这些目标需要花费近500年的观测时间。”这样一句。经查实,原文写的是500小时,我们也在留言区做了更正。

但是这里将锅完全甩给译者也有不妥...事实上,原文发布的时候写的的确是500年,我们也是根据最原始版本翻译的。证据是原文下方有一条评论,当时写的也确实是500年的字样。

那么,这里究竟该如何理解呢?译者朱川大大在这里做了解释:

探测器已经发展到多任务,多线程阶段。举例来说,如果一个探测器拥有100个探测设备,同时为100个科研计划提供服务,那么五年之后,该探测器的总科研服务时间是记为500年,而不是5年。

这应该是原文作者的初衷,不过这种说法确实让人产生误会。在此,我们也希望各位读者在看到有费解的地方时及时提出,以便我们更正或者解释。也感谢昨天提出问题的粉丝们!



高海拔水切伦科夫(HAWC)伽玛射线观测站坐落于墨西哥奥里萨巴山国家公园,海拔高达4114.8米,这不是普通的探测器,而是由300个水箱构成的巨大水库,当高能粒子穿过特殊水层,水箱就会发出切伦科夫辐射,这是一种蓝色的光。该探测器能够检测上层大气中高能粒子碰撞所形成的产物。

 

这座在墨西哥高山山顶矗立的观测站由国际科学家研究小组建设和运行,该探测器第一次检测到了一个广角视图。科学家通过广角视图展示了两颗快速旋转恒星所发出的伽玛射线。地球周围神秘地存在着丰富的反物质粒子,科学家已经对此现象做出了一个可能的解释。但是,高海拔水切伦科夫(HAWC)伽玛射线观测站不仅为人们揭示了临近恒星所发出的高能射线,还对该解释提出了严重质疑。


2008年,天文学家在地球大气层之外几百公里的轨道空间意外发现了大量的正电子。正电子,又称阳电子、反电子、正子,基本粒子的一种,带正电荷,质量和电子相等,是电子的反粒子。最早是由狄拉克从理论上预言的。1932年8月2日,美国加州理工学院的安德森等人向全世界庄严宣告,他们发现了正电子。正电子的发现开辟了反物质领域的研究。


2008年以来,因为地球附近轨道空间正电子的发现,科学家激烈地争论着这一反常现象的缘由,对其来源也形成了两种竞争性理论。


有些科学家提出了一个较为简单的解释:地球附近丰富的反物质粒子可能来自于太阳系附近坍缩的恒星——脉冲星,脉冲星每秒可自旋数圈并猛烈地抛射出电子、正电子及其他物质。


别的一些科学家认为,丰富的正电子可能来自于暗物质的运动过程,暗物质是一种比电子和光子还要小的物质,不带电荷,不与电子发生干扰,能够穿越电磁波和引力场,是宇宙的重要组成部分。


暗物质的密度非常小,但是数量庞大,因此它的总质量很大,它们代表了宇宙中26%的物质含量,其中人类可见的只占宇宙总物质量的5%不到(约4.9%)。暗物质难以直接观测到,但它能干扰星体发出的光波或引力,其存在能被明显地感受到。

 

脉冲星能够按照稳定节律释放出无线电波脉冲

 

研究人员对HAWC伽玛射线观测站新取得的观测数据进行了分析,他们第一次详细地测量了两颗早已发现的脉冲星。


之前曾经认为,这两颗脉冲星可能是地球附近丰富正电子的来源。这两颗脉冲星发出的辐射粒子被HAWC伽玛射线观测站捕获并计数,合作研究人员在数据分析中发现,之前的结论是错误的,这两颗脉冲星不可能是丰富正电子的来源。


2017年11月17日发表于《科学》杂志的研究报告称,尽管这两颗脉冲星的年纪及其与地球之间的距离均较合适,但这两颗脉冲星环绕着大面积的阴暗云团,脉冲星发出的大部分正电子均不可能穿透。


“这次取得的测量结果非常有趣,因为它强烈否定了丰富正电子来源于两颗脉冲星的观点,至少让人们不能再简单地认为正电子就是由自旋脉冲星发出的。”HAWC伽玛射线观测站国际合作组美方发言人、首席研究员、马里兰大学物理学教授乔丹·古德曼说:“有人认为,丰富的正电子可能来自于暗物质的运动过程,我们的测量工作并未证明这一观点是正确的,但是,今后如果有任何研究还是想用脉冲星来解释丰富正电子的来源问题,建议必须考虑一下我们的测量结果。”


位于波兰克拉科的波兰科学院核物理研究所的科学家、本次研究首席通讯作者弗朗西斯科·塞尔萨·格雷乌斯补充说:“在排除了脉冲星及暗物质这两个可能选项之后,我们在认识和理解丰富正电子来源的道路上向前更进了一步。”

 

就如同使用普通照相机一样,HAWC伽玛射线观测站通过采集大量的辐射或光线,形成了伽马射线源的明锐图片。能量极高的伽马射线来源于巨型恒星的坟场,有一些恒星死了,会爆炸,变成超新星,超新星爆炸以后剩下的渣滓,有一部分就是中子星,也有可能是白矮星或者黑洞,如果这个中子星碰巧有磁场,那么它旋转起来就会形成脉冲星。


但观测到的光线并非恒星自己所发出的。产生光线的过程是,高速旋转的脉冲星能够将粒子加速到能量极高的状态,导致粒子冲击早期宇宙留下的能量较低光子,进而形成辐射光线。


通过测量在伽马射线中发光发亮的天空面积,可以大体知晓环绕强烈脉冲星的碎片场大小,研究人员可以通过碎片场的尺寸来估计物质运动相对旋转脉冲星的相对速度。研究人员可通过相对速度来估计正电子的运动速度,并进一步估算发源于给定来源并抵达地球的正电子数量。


通过使用近期发布的HAWC伽玛射线观测站高能天空目录,科学家发现,双子座杰敏卡脉冲星及其姊妹星——双子座PSR B0656+14脉冲星不是地球附近丰富正电子的来源。尽管这两颗脉冲星年纪古老,距离地球很近,放射的反物质也很多,但是,这两颗脉冲星所释放物质的运动速度并没有快到足于抵达地球。


“HAWC伽玛射线观测站测得的伽马射线显示,这两颗脉冲星确实在发射着高能正电子。”本次研究通讯作者、位于德国海德堡的马克斯·普朗克核物理研究所的科学家鲁本·洛佩斯-柯托说,“但是,根据我们的测量,这两颗脉冲星发射的高能正电子不足以构成地球附近的大部分丰富正电子。”


如果没有HAWC伽玛射线观测站的广角视图,就不可能实现本次研究中的观测。该探测器对我们头顶三分之一的天空进行着经常性的扫描,帮助研究人员以广阔的视角来观测脉冲星周围的空间。其他正在对伽马射线进行着观测的天文台或探测器,所拥有的视角较为狭窄,导致没有观测到脉冲星的扩展特性。


HAWC伽玛射线观测站坐落于墨西哥普埃布拉州奥里萨巴山国家公园的赛拉·涅哥拉火山脚下,海拔4114.8米。它由300多个水箱构成,这些水箱就安置那里,静静地等待着被称为伽马射线的高能辐射光束倾泻而至,很多伽马射线的强度都有牙科检测X射线的1000万倍以上。 

伽马射线冲击地球高层大气

 

当伽马射线冲击地球高层大气的时候,它们会电离空气中的原子,产生一阵阵粒子流冲向地面,这种粒子流被称为“切伦科夫光”。


切伦科夫光又称切伦科夫辐射,是指透明介质中穿行的速度超过介质中光速的带电粒子所发出的一种辐射。介质中的粒子群速度超过介质中的光速,会产生切伦科夫辐射。该种辐射于1934由年切伦科夫发现,高速带电粒子在透明介质中穿行时会发出一种淡蓝色的微弱可见光。带电粒子既可来自外源,也可由γ射线的康普顿散射或光电效应产生。切伦科夫在实验中发现这种微光与通常的荧光或磷光不同 ,具有明显的方向性、强偏振以及随介质变化不大的谱分布等一系列特点。1937年夫兰克和塔姆对此现象作了系统的理论研究,说明这种辐射是由于带电粒子速度超过媒质中光速(相速度)所产生的。以上三人因此获得1958年诺贝尔物理学奖。


当这些辐射光抵达HAWC伽玛射线观测站的水箱时,会在水中产生蓝光闪烁,研究人员就是通过蓝色光束重新估算了伽马射线的强度,进而估计导致产生粒子流的伽马射线的来源。


“因为具有广角视野,HAWC伽玛射线观测站才能够对脉冲星周围散射粒子所导致的高能伽马射线进行独特的测量,这种测量让我们发现,这些粒子直接散射的速度要比之前估计的快很多。”本次研究的通讯作者、新墨西哥州阿拉莫斯国家实验室的周浩说。 

宇宙中广泛存在着暗物质

 

本次研究给脉冲星的天体物理学带来了新的认识,这些脉冲星的局地环境有可能导致了地球附近丰富的正电子,但是,同国际合作组所认为的可能性相比,还需要更加复杂的正电子散射理论才能够对本次研究的发现做出更加合理的解释。另一方面,暗物质也有可能是一个正确的解释,但在做出结论之前,还需要更多的证据。


想了解关于暗物质和伽马射线暴的更多知识?请戳——

暗物质是什么?有多神秘?

伽马射线暴可以毫无征兆地瞬间毁灭地球生命


来源:http://phys.org

译者:朱川

责编:钟天意


来自太空的毁灭:伽马射线暴



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来自:alayavijnana  > 科技未来
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