加速星团的“彗星”尾巴解决了100年前的宇宙之谜

当马克·克伦霍茨（Mark Krumholz）和他的同事们开始研究一个有百年历史的宇宙之谜时，他们在Terzan 5（球状星团）发现了一个意想不到的天体实验室，这是一个密集的星团，目前正以惊人的速度穿过我们的银河系。

这种奇怪的恒星使我们能够研究宇宙射线的行为 —— 自1912年发现以来，高能粒子在太空中的不稳定路径一直困扰着天文学家。

通过观察Terzan 5宇宙射线产生的辐射，我们实现了科学上的第一次：测量这些粒子由于星际磁场波动而改变方向的速度有多快。他们的研究发表在今天的《自然天文学》上。

来自外太空的快速移动辐射

宇宙射线是没有人预料到的东西。19世纪90年代首次发现放射性时，科学家们认为所有的辐射源都在地球上。

但在1912年，奥地利裔美国物理学家维克多·赫斯测量了高空气球上的环境辐射水平，发现它比地面水平高得多，即使在日食时太阳被遮挡。这意味着，辐射一定来自太空。

今天，我们知道赫斯发现的神秘辐射是宇宙射线：原子核和质子、电子等基本粒子以某种方式被加速到接近光速。

正如赫斯所发现的那样，这些粒子快速穿过星际空间，由于它们的高能量，其中一小部分可以穿透高层大气。

但我们无法轻易分辨它们的来源。宇宙射线是带电粒子，这意味着当它们遇到磁场时，它们的运动方向会改变。

宇宙射线宇宙的静态图像

磁偏转效应为老式阴极射线管（CRT）显示器和电视提供了基本技术，它们利用磁偏转效应将电子引导到屏幕上以产生图像。

星际空间充满了磁场，这些磁场不断波动，使宇宙射线向随机方向偏转 —— 有点像旧电视上坏掉的CRT只显示静态。

所以宇宙射线不会像光一样从源头直接射向我们，而是在银河系中均匀扩散。在地球上，我们看到它们几乎从天空的各个方向均匀地飞来。

虽然我们现在了解了总体情况，但大部分细节还不清楚。宇宙射线在天空中的均匀性告诉我们，宇宙射线的方向是随机变化的，但我们没有很好的方法来测量这个过程发生的速度。

我们也不知道磁场波动的最终来源。或者直到现在我们才知道。

Terzan 5和移位的伽马射线

这就是Terzan 5的用武之地。这个星团是宇宙射线的丰富生产者，因为它包含大量快速旋转的、密度极高的磁化恒星，这些恒星被称为毫秒脉冲星，它们将宇宙射线加速到极高的速度。

由于波动的磁场，这些宇宙射线无法到达地球。然而，我们可以看到它们存在的迹象：一些宇宙射线与星光的光子碰撞，并将其转化为称为伽马射线的高能不带电粒子。

伽马射线与产生它们的宇宙射线的方向相同，但与宇宙射线不同的是，伽马射线不会被磁场偏转。它们可以沿直线飞行到达地球。

由于这种效应，我们经常看到伽马射线来自强大的宇宙射线源。但在Terzan 5中，由于某种原因，伽马射线与恒星的位置并不完全一致。相反，它们似乎来自一个大约30光年远的区域，那里没有明显的来源。

一颗银河系尺度的“彗星”

自2011年被发现以来，这种位移一直是一个无法解释的好奇，直到我们找到了一个解释。

今天，Terzan 5离我们银河系的中心很近，但并不总是如此。这个星团实际上是在一个非常宽的轨道上运行的，这使得它在大多数时间里远离星系的平面。

它只是碰巧现在正穿过银河系。由于这种俯冲以每秒数百公里的速度发生，星团在自身周围掀起了一层磁场斗篷，就像彗星的尾巴在太阳风中俯冲一样。

星团发射的宇宙射线最初沿着彗尾传播。我们看不到这些宇宙射线产生的任何伽马射线，因为尾巴并没有直接指向我们 —— 这些伽马射线沿着尾巴发射，远离我们。

这就是磁场波动的来源。如果宇宙射线与尾巴保持一致，我们就永远看不到它们，但由于磁场波动，它们的方向开始改变。

最终，它们中的一些开始指向我们，产生我们可以看到的伽马射线。但这需要大约30年的时间，这就是为什么伽马射线似乎不是来自星团本身。

当它们中的足够多的指向我们的时候，它们发出的伽马射线足够亮，可以被看到，它们沿着星系团的磁尾行进了30光年。

宇宙射线和星际磁场

因此，多亏了Terzan 5，我们第一次能够测量磁场波动改变宇宙射线方向所需的时间。我们可以利用这些信息来测试星际磁场如何工作以及它们的波动来自哪里的理论。

这使我们离理解赫斯100多年前发现的神秘太空辐射又近了一大步。

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