脈衝星可能以宇宙中已知最高能量為宇宙射線提供動力

最近爆​​炸的恆星周圍的風和混亂的殘骸可能正在發射宇宙中速度最快的粒子。

被稱為脈衝星的高磁性中子星會激起快速而強烈的磁風。 當帶電粒子，特別是電子，陷入那些湍流條件時，它們可以被提升到極端能量，天文物理學家 4 月 28 日在《天文物理學期刊通訊。 更重要的是，這些快速的電子可以繼續將一些環境光增強到同樣極端的能量，可能會產生非常高能量的伽馬射線光子，使天文學家首先檢測到這些粒子發射器。

「這是探索脈衝星與超高能量輻射之間聯繫的第一步，」威斯康辛大學麥迪遜分校的天文物理學家柯方說，他沒有參與這項新工作。

去年，中國大型高空空氣簇射觀測站（LHAASO）的研究人員宣布發現了迄今為止檢測到的最高能量伽馬射線，高達 1.4 兆電子伏特（序號： 2/2/21）。 這大約是世界一流粒子加速器（日內瓦附近的大型強子對撞機）所能達到的最高能量的 100 倍。 確定產生這些和其他極高能量伽馬射線的原因，可以從字面上指出宇宙射線的位置——從太陽係以外的地方轟擊地球的快速質子、較重的原子核和電子。

一些伽馬射線被認為起源於與宇宙射線相同的環境。 它們產生的一種方式是，宇宙射線在發射後不久，可以撞擊能量相對較低的環境光子，將它們增強為高能量伽馬射線。 但帶電的宇宙射線會受到銀河磁場的衝擊，這意味著它們不會沿著直線傳播，從而使追蹤這些快速粒子的來源變得更加複雜。 然而，伽馬射線不受磁場影響，因此天文物理學家可以追蹤其堅定不移的路徑回到其起源，並找出宇宙射線的產生位置。

為此，LHAASO 團隊將其檢測到的數百個伽馬射線光子追蹤到天空上的 12 個點。 雖然團隊確定了一個地點作為蟹狀星雲距離地球約 6,500 光年的超新星遺跡，研究人員認為其餘部分可能與其他恆星爆炸地點甚至年輕的大質量星團有關。序號：2019 年 6 月 24 日）。

在這項新研究中，天體物理學家艾瑪·德·奧納·威廉米（Emma de Oña Wilhelmi）及其同事將注意力集中在這些可能的起源點之一：脈衝星風星雲、脈衝星周圍的湍流雲和帶電粒子。 研究人員不相信這些地點會產生如此高能量的粒子和光，因此他們開始透過計算證明脈衝星風星雲不是極端伽馬射線的來源。 「但令我們驚訝的是，我們在非常極端的條件下看到了，你可以解釋 LHAASO 看到的所有來源，」漢堡德國電子同步加速器的 de Oña Wilhelmi 說。

這些星雲中心的年輕脈衝星——年齡不超過 20 萬年——可以提供如此強大的能量，因為它們的超強磁場會產生稱為磁層的湍流磁泡。

德奧納威廉米說，任何在強磁場中移動的帶電粒子都會加速。 就是這樣的大型強子對撞機增強粒子至極端能量（序號：4/22/22）。 然而，團隊計算出，脈衝星驅動的加速器可以將粒子提升到更高的能量。 這是因為電子逃離了脈衝星的磁層並且遇到了材料以及產生脈衝星的恆星爆炸產生的磁場。 研究團隊發現，這些磁場可以進一步將電子加速到更高的能量，如果這些電子撞擊周圍的光子，它們可以將這些光粒子提升到超高能量，將它們變成伽馬射線。

“脈衝星絕對是非常強大的加速器，”方說，“有幾個地方可以發生粒子加速。”

這可能會導致一些混亂。 伽瑪射線望遠鏡的視野相當模糊。 例如，LHASSO 只能分辨滿月一半大小的細節。 德奧納威廉米說，因此望遠鏡偵測到的伽馬射線源看起來像斑點或氣泡。 這些斑點中可能存在多種能量來源，目前的天文台尚未解決。

「憑藉更好的角分辨率和靈敏度，我們應該能夠識別加速器的位置和位置，」她說。 一些未來的天文台——例如切倫科夫望遠鏡陣列和南方廣視場伽瑪射線天文台- 可能會有所幫助，但他們還需要幾年的時間。