科学家发现有史以来能量最高的宇宙射线电子

H.E.S.S.望远镜阵列捕捉高能宇宙电子和正电子以及伽马射线产生的粒子阵雨的可视化。（图片来源：合作MPIK/H.E.S.S.）

经过十多年的细致数据收集，位于纳米比亚的H.E.S.S.天文台的科学家们取得了突破性的发现。该天文台代表“高能立体系统”。他们探测到了迄今为止观测到的最具能量的宇宙电子，为我们理解宇宙开辟了新的途径。

法国国家科学研究中心研究员、H.E.S.S.合作副主任Mathieu de Naurois告诉Space.com：“宇宙射线是一个百年之谜。”

奥地利物理学家Victor Hess于1912年首次报道，宇宙射线是在一系列气球上升后发现的，这些气球上升旨在探索首次在验电器上检测到的电离辐射。然而，在达到5300米的高度后，赫斯揭示了来自太空的高能粒子的天然来源。今天，我们称这些粒子为宇宙射线。

现在，美国宇航局的科学家们很兴奋，因为他们探测到了迄今为止能量最高的电子和正电子（正电子就像电子的“对立面”，因为它具有电子的质量，但像质子一样带正电），它们构成了高能宇宙射线的一个组成部分。这一发现令人兴奋，因为它提供了极端宇宙过程释放大量能量的切实证据。

“了解这些宇宙射线使我们能够揭示宇宙中的大粒子加速器，这些加速器通常与最剧烈的现象有关：恒星的爆炸；具有巨大引力和电磁场的非常紧凑的物体，如中子星和脉冲星；灾难性的合并；以及黑洞，”de Naurois说。

最酷的部分是，由于这种能量的电子很快就会失去能量，研究小组认为它们一定来自相对较近的地方。“在我们的太阳系附近，有非常有效的宇宙电子加速器，”de Naurois说。“在几百光年内，有许多恒星，最近的恒星通常距离地球两光年。因此，我们预计这个区域也会有一些‘死恒星’，比如脉冲星或超新星遗迹，它们可能是这些电子的来源。”

由于几个原因，检测这些能量为几兆电子伏的高能电子和正电子——比地球上任何粒子加速器都能实现的能量都高——尤其具有挑战性。

首先，星系磁场导致电子偏离直线路径，从看似随机的方向到达地球。其次，天基仪器太小，无法捕获足够的这些粒子，部分原因是粒子在空间中的能量分布不均。

换句话说，宇宙射线源逐渐加速粒子，高能粒子更有可能逃离其系统。因为达到最高能量需要时间，这会导致大量的低能粒子，而在更高的能级上，粒子会逐渐减少。de Naurois解释说：“在高能量下，宇宙射线通量迅速下降，这意味着太空仪器收集的宇宙射线太少。”

然而，另一方面，间接探测宇宙射线的地面望远镜很难将宇宙射线电子与轰击地球大气层的无数其他类型的宇宙射线区分开来。

de Naurois说：“相比之下，H.E.S.S.具有巨大的有效面积，使其特别适合研究电子光谱的高能部分。”

H.E.S.S.天文台由五台大型望远镜组成，分布在一个足球场大小的区域内，旨在捕捉发射切伦科夫辐射的大气阵雨。这种辐射发生在高能粒子与地球大气层碰撞时，产生望远镜可以探测和分析的粒子阵雨。

黑色空间中的粉红色物体从一个极点到另一个极点射出薄薄的淡蓝色环。粉红色的气体从两极向外滴落。

脉冲星周围有强大的磁场旋转，沿着场线移动的带电粒子云发射出被磁场聚焦的伽马射线，就像灯塔发出的光束。在这些磁场中，产生并加速了成对的正电子和电子，使脉冲星成为高能宇宙电子和正电子的潜在来源。（图片来源：美国国家航空航天局/戈达德太空飞行中心概念图像实验室）

尽管其主要目的是探测伽马射线并找到其来源，但该团队重新利用这些数据来寻找这些高能宇宙射线电子。de Naurois说：“这里使用的算法基于逐像素比较，在预先计算的模型和相机记录的图像之间使用复杂的统计建模，特别是似然分析。”

最初，该算法被用于检测电子，电子与伽马射线略有不同。他们还必须能够将电子与背景信号区分开来。而且，由于数据中的电子很少，因此必须调整算法，通过应用更严格的标准来拒绝其他宇宙射线粒子，但这也导致检测到的电子更少。

为了提高精度，“每一次望远镜观测都经过了彻底的模拟，从而更深入地了解了仪器的行为，”de Naurois说。

这为分析宇宙射线电子提供了一套无与伦比的统计数据。该团队证实，电子能谱至少延伸到40TeV，比地球加速器的能量探测能力高400倍。1 TeV附近光谱的急剧“断裂”表明，这种能量的电子在银河系内迅速失去能量，正如de Naurois所说，这表明它们来自相对附近的来源。

他补充道：“这种断裂的尖锐意味着只有少数，或者可能只有一个宇宙源负责这些电子。”“如果涉及多个来源，光谱会更平滑，断裂发生在不同的能级。最好的候选者是相对较老的超新星，或来自WR恒星的强恒星风（最初大质量恒星的裸核，其原始的富氢包层已被恒星风去除），但我们不能排除其他可能性。”

该团队表示，其分析不仅提供了关键数据，还提供了将作为未来研究基准的数据。

编丨潇歌

图丨网络

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