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太阳发出了令人费解的亮光

太阳发出的光,横跨了一系列的能量范围,但其中有些能量比其他的更丰富。例如,通过核反应,太阳发出了大量的可见光,也就是我们肉眼可以看见的光,这种形式的光携带大约1电子伏特(1 eV)的能量。

现在,高海拔水切伦科夫(HAWC)天文台的研究人员观测到了来自太阳的最高能量的光——伽马射线,其能量高达约1万亿电子伏特(1 TeV)!如此高的能量是前所未见的。同样令人惊讶的是探测到的伽马射线是非常明亮的,也就是说伽马射线的数量比预期的高得多。

上世纪90年代,科学家就预测太阳伽马射线的产生与宇宙线有关。这些高能粒子通常是质子,由超新星爆发、黑洞碰撞,以及宇宙中的其他极端事件产生。当宇宙线冲向太阳表面时,太阳的强大磁场会将这些粒子逆转。随着这些粒子离开太阳表面,它们与太阳大气层中的质子相撞,产生一种名为π介子的不稳定粒子。当π介子衰变时,就会产生伽马射线。

但是,基于对宇宙线和太阳的了解,研究人员认为应该很少能看到这些伽马射线抵达地球。2011年,费米伽玛射线空间望远镜首次观测到了能量超过10亿电子伏特的伽马射线。在接下来的几年里,费米任务的观测数据表明,这些伽马射线不仅能量极高,并且数量比科学家最初预期的要大出约七倍。而且似乎还有更高能量的伽马射线有待发现。

费米望远镜所能测量到的太阳伽马射线的能量峰值约为2000亿电子伏特。为了探测更高能量的伽马射线,理论学家们希望HAWC合作组也能进行观测。

HAWC看起来与典型的望远镜非常不同,它使用的是一个由300个大型水箱组成的观测网络,每个水箱中装有大约200公吨的水,这些水箱坐落于墨西哥的两座休眠火山之间,海拔超过3900米。

从这个有利位置,HAWC可以观测到伽马射线撞击大气后的情况。这种碰撞可以产生所谓的大气簇射。当簇射粒子与HAWC水箱中的水相互作用时,就会产生可被仪器检测到的切伦科夫辐射。

研究人员于2015年开始收集数据。2021年,他们终于积累了足够的数据,开始对太阳伽马射线进行详尽的分析。基于六年多的数据,研究人员首次证明,太阳光的能量可以延伸到TeV范围。

但这一发现带来的疑问实际上多于答案。这些伽马射线究竟是如何获得如此高能量的?太阳磁场在这一现象中又扮演了怎样的角色?尽管如此,此次的发现依然令人兴奋。它告诉我们,在我们理解这颗对于我们至关重要的恒星时,有些地方出了问题或缺失,亦或者两者兼有。

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