黑洞观测解开宇宙射线之谜

自然新闻文章 新闻ˌ消息 2024年1月25日 黑洞观测解开宇宙射线之谜 来自非洲天文台的数据显示，一颗坍缩恒星的喷流能够产生银河系中一些最快的粒子。 作者:大卫·卡斯特韦奇

海牛星云（也称为W50或SNR G039.7-02.0） 海牛星云是一万多年前一颗巨星爆炸时形成的，在其核心留下了一个黑洞。资料来源:b .萨克斯顿（NRAO/AUI/国家科学基金会）根据m .戈斯等人提供的数据。 位于纳米比亚的一组望远镜已经精确定位了银河系可能产生的一些最高能粒子的来源。观测指向一个被称为海牛星云的区域中黑洞喷出的物质粒子被加速到接近光速的地方。 高能立体系统（HESS）的研究人员于1月25日在《科学》杂志上发表了这些发现，这是对长达一个世纪的探索的一步，以了解宇宙射线的起源——快速移动的原子核和其他粒子不断撞击地球高层大气。 阿姆斯特丹大学的理论天体物理学家塞拉·马科夫说:“对于像我这样想对天体物理喷流进行建模的人来说，包括其内部组成、传播和演化”，赫斯产生的信息是“不可思议的”。

太空雨 宇宙射线的能量范围很广。最丰富、能量最低的宇宙射线由太阳风粒子组成，这些粒子在地球磁场中盘旋后降落到地球大气层。能量高得多的宇宙射线被认为是由超新星产生的，超新星是大质量恒星的爆炸死亡。然而，能量更高的宇宙射线来自银河系以外，特别是来自类星体——产生以近光速飞行的等离子体射流的超大质量黑洞。这些射流的能量比粒子加速器产生的能量高8个数量级。 天体物理学家提出，比类星体小的黑洞等离子体射流——但仍是太阳的几倍——也可能对宇宙射线数量有所贡献。这些“微型类星体”产生的能量也是X射线和无线电波的明亮来源，其范围可能介于超新星和类星体之间。 在最新的研究中，德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的天体物理学家劳拉·奥利维拉-涅托和她的合作者研究了一种名为SS 433的微类星体。黑洞位于天鹰座，距离太阳系约18，000光年（5.5千秒差距），与一颗大恒星一起形成了一个双星系统。从恒星中喷出的物质围绕黑洞旋转，然后螺旋进入黑洞，产生高能喷流。 这个双星系统被一个被昵称为海牛的星云包围着，因为它的形状很长。该星云是一万至十万年前超新星爆发后留下的尘埃和气体外壳，在此期间，一颗爆炸的恒星的核心坍塌形成了黑洞。超新星的物质外流本身会在事件发生后的数千年内产生宇宙射线，这种活动早已平息。但是在1万到3万年前的某个时候，当黑洞形成喷流时，这个系统又亮了。研究人员认为这是它再次开始产生宇宙射线的时候。 宇宙线索 任何源自微类星体的宇宙射线粒子在到达地球之前都会以螺旋状穿过银河系，它们的轨迹会因磁场而弯曲。这使得追踪它们的路径回到特定的来源变得不可能。相反，寻找宇宙射线可能起源的天体物理学家寻找γ射线光子，γ射线光子应该在加速宇宙射线粒子的相同过程中产生，但以直线传播到地球。 天文学家于2018年在墨西哥皮科·德·奥里萨巴国家公园2的高海拔水切伦科夫（HAWC）天文台首次观测到SS 433的γ射线。但是，与赫斯的团队不同，他们无法精确定位确切的来源。

纳米比亚霍马斯高地的高能立体系统望远镜阵列。图片来源:Phillipe Plailly/科学图片库 HAWC和赫斯都间接探测γ射线光子，但他们使用不同的方法。当γ射线与高层大气中的原子核碰撞时，它会产生大量次级粒子，包括电子和它们更重的兄弟姐妹μ子。HAWC有装满水的水箱，可以在这些粒子到达地面时收集它们，而赫斯的工作原理是对粒子在大气中运动时产生的闪光进行成像。赫斯的五个盘子可以指向天空中特定的方向。 这使得赫斯能够精确定位海牛星云中产生γ射线的位置，并专注于区分具有特定能量的γ射线。历时3年、超过200小时的观测表明，γ射线发射大约在黑洞和超新星遗迹之间的中途开始，并慢慢消失。奥利维拉-涅托说:“最高能量的光子只来自离黑洞更近的地方。”“这确实是一个至关重要的发现。” 奥利维拉-涅托解释说，这表明γ射线——暗示着宇宙射线——是由喷流内部的机制产生的，而不是与其他物质碰撞产生的。除此之外，黑洞周围的空间是空的，被超新星膨胀的冲击波扫得一干二净。 Markoff称赞Olivera-Nieto的数据分析，他说，这一发现“强化了X射线双星是超大质量黑洞的较小类似物，同样能够加速宇宙射线的说法”。“她的技术允许使用更多的数据，并将灵敏度放大到足以进行这项奇妙的研究，因此为更多类似的工作奠定了基础。” https://doi.org/10.1038/d41586-024-00223-4