新的觀測結果幫助天文學家深入研究宇宙射線從何而來這一長期存在的謎團。

 
蟹狀星云是超高能量宇宙射線的來源之一。(圖片來源:NASA, ESA, J. Hester和A. Loll(亞利桑那州立大學))

隨著研究人員在我們的星系中發現了12個超級強大的天然粒子加速器，一個百年的天體之謎離解決又近了一步。

這些發現有助于天文學家理解宇宙射線的起源，即帶電粒子和原子核以接近光速的速度在太空中飛行，它們充滿了令人難以置信的能量。

美國國家航空航天局(NASA)表示，1912年發現的宇宙射線幾乎來自銀河系的各個方向，盡管科學家尚未確定它們是如何達到超高速的。

中國南京附近紫金山天文臺的天體物理學家劉思明告訴《生命科學》，許多研究人員懷疑，大質量恒星在超新星爆炸中死亡時，宇宙射線被拋出。在這樣的事件中，“恒星在兩個月內釋放的能量相當于它們整個生命的總量，”他補充說。

但即使像這樣的強力爆炸，也只能賦予宇宙射線不到一千萬電子伏特(PeV)或一千萬億電子伏特的電壓，劉說。天文臺捕捉到的超高能量宇宙射線的能量超過了這一水平，到目前為止，沒有人能弄清楚它們來自宇宙的什么地方。

劉說，發現宇宙射線的來源一直很困難，因為帶電實體會被銀河系中豐富的磁場偏轉。他補充說，這意味著在地球上捕捉到的宇宙射線不會直接指向它的原點。

但是當它們從它們的源頭噴射出去時，宇宙射線可以與周圍的氣體相互作用，產生具有宇宙射線十分之一能量的伽馬射線。這些射線是不帶電的，因此沿直線傳播，為發現它們的來源提供了一種方法。

劉和他的同事們利用中國的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)來間接觀測伽馬射線光。LHAASO是一個正在建設中的設施，位于四川省青藏高原邊緣的海子山上。根據一份新聞稿，當伽馬射線撞擊地球大氣層時，它們會產生一簇粒子，LHAASO的數千個探測器可以捕捉到這些粒子，這些粒子最終會擴散到0.4平方英里(1平方公里)的區域。

雖然這些數據是在陣列只有一半工作的情況下獲得的，但它能夠揭示銀河系各處的12個來源，它們被稱為PeVatrons，因為它們能夠向亞原子粒子注入相當于peta電子伏特的能量。這些實體的能量至少是地球上最大的粒子加速器——大型強子對撞機(Large Hadron Collider)的100倍。

該團隊還發現了迄今為止最強大的伽馬射線光子，即光粒子，個具有1.4 PeV的物體。他們于5月17日在《自然》雜志上發表了他們的發現。

在pevatron中有一些我們熟悉的物體，比如蟹狀星云，已知它包含一顆被稱為脈沖星的死亡恒星，這顆脈沖星可能是宇宙射線的加速器。但是這個列表還包括天鵝座的一個活躍的恒星形成區，讓研究人員撓頭弄不清是什么在那里發射出如此強大的粒子。

LHAASO只能精確定位幾十光年或幾百光年內的PeVatron源，劉說，所以很難確切知道每個區域的什么物體導致了加速度。

然而，“這是重要的一步，”德國馬克斯·普朗克物理研究所的天體粒子物理學家Razmik Mirzoyan告訴Live Science。Mirzoyan補充說，LHAASO很快將比以往任何同類望遠鏡都大4倍，從而開啟超高能量觀測的新時代。

Mirzoyan參與了一個合作項目，該項目正在南半球建立一個類似的設施，以研究超高能量宇宙射線源。他說，通過將來自該設施的信息與觀測電磁光譜的望遠鏡和觀測中微子的望遠鏡的數據結合起來，該領域有可能在大約10年內最終知道這些神秘實體的起源。

劉同意，未來用LHASSO和其他儀器進行的觀測將有助于查明宇宙射線是如何達到如此驚人的速度和能量的。“我們希望我們能解決這個問題，”他說。“這些觀察結果為回答這個問題提供了可能。”