探测到有史以来能量最高的宇宙线电子

在宇宙中，一些极端天体，如超新星遗迹、脉冲星、活动星系核，能够发射出能量极高的宇宙线和伽马射线，其能量之高，远远超过了恒星核聚变等热过程所能达到的能量。

伽马射线可以不受干扰地穿过空间，因此科学家可以通过在地球上探测这些伽马射线，直接获取有关其源头的丰富信息。然而，研究宇宙线则复杂得多，因为它们在穿越宇宙时会被无处不在的磁场偏转，然后从各个方向各向同性地抵达地球。这使得科学家无法直接追溯宇宙线的来源。

此外，当宇宙线与光和磁场相互作用时，会损失一些能量，而这种能量损失对于那些能量最高的电子和正电子（电子的反粒子）尤其显著。宇宙线中的电子和正电子被称为宇宙线电子（CRe），能量超过1TeV（1TeV = 10¹²eV，比可见光的能量强1万亿倍）。

在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，来自高能立体视野望远镜阵（H.E.S.S.）合作组的科学家在这一领域取得了重大突破：他们探测到了能量高达40TeV的宇宙线电子，并首次缩小了这些宇宙线电子的来源范围。

捕捉宇宙线电子

虽然宇宙线电子的数量远少于宇宙线中的质子和其他原子核，但它们可以为我们了解发生在银河系中的高能过程提供重要见解。

然而，探测几TeV的宇宙线电子是极为困难的。探测面积约一平方米的天基天文台往往无法捕捉到足够数量的此类粒子。地基天文台则可以通过宇宙线在地球大气中产生的粒子簇射，来对它们来进行间接探测。但地基天文台面临的挑战是如何识别出哪些簇射由宇宙线电子所引发的，哪些是由更重的宇宙线质子和原子核引发的。

H.E.S.S.位于纳米比亚的霍马斯高地。它由五台望远镜组成——四台12米的望远镜位于一个正方形的四个角，另一台28米的望远镜位于中心。它可以探测范围从几GeV（1GeV = 10⁹eV）到几十TeV的宇宙伽马射线。

H.E.S.S.是目前唯一能观测南方天空的高能伽马光的设备，也是同类望远镜系统中最大、最灵敏的。（图/H.E.S.S合作组）

虽然H.E.S.S.是一个主要用于探测和筛选伽马辐射并测量其来源的天文台，但由它所收集的数据也可用于搜索宇宙线电子。

在新的研究中，合作组的科学家分析了十多年来，由四个H.E.S.S.望远镜收集的大量数据集。他们改进了粒子识别技术，使用了一种新颖而严谨的选择算法，为宇宙线电子的分析提供了高质量的统计数据集。

H.E.S.S.捕捉高能宇宙线电子产生的粒子簇射。（图/MPIK/H.E.S.S. 合作组）

能谱中的扭折

利用这些数据，研究人员绘制了一个宽泛的宇宙线电子能谱，其中能量最高的宇宙线电子高达40TeV。相比之下，过去对宇宙线电子的探测能量都低于5TeV。在这个能谱中，研究人员在1 TeV左右的位置发现了一个明显的扭折。在这个扭折之前和之后，能谱都遵循幂律。具体来说，幂律指数分别约为3.25和4.49。

测量的宇宙线电子的能谱，当能量低于1 TeV时，数据的误差相对较小。（图/H.E.S.S合作组）

事实上，在这项研究之前，科学家就已经通过其他天基观测捕捉到了这一扭折。只是过去的那些观测无法将测量延伸到更宽广的TeV级能量范围。现在，H.E.S.S.的观测进一步确认了这一扭折的存在，并表明它比先前预期的还要更加尖锐。‍‍

在银河系穿行

为了找出是什么样的天体物理过程能将这些宇宙线电子加速到如此高的能量，以及这个扭折的起源是什么，研究人员将这些数据与模型预测进行了比较。他们推测，来源可能是脉冲星。

脉冲星的艺术构象图（图/NASA/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab）

脉冲星是具有强磁场的恒星遗迹。有些脉冲星会向周围吹起一股带电粒子风，而这股风的磁激波波前有可能推动了宇宙线电子。这一场景同样适用于超新星遗迹的激波波前。

研究人员通过模型模拟发现，通过这种方式被加速的电子，会以特定的能量分布进入太空。而且在此过程中，这些粒子会损失大量的能量，以至于它们原来的能谱发生了畸变。‍

最后，研究人员将模型与观测数据相匹配，以便更多地了解这些天体物理源的性质。他们认为，在能谱中，能量低于1TeV的粒子可能是由来自不同脉冲星或超新星遗迹的电子和正电子构成的。

但是，对于更高的能量，情况则有所不同。正如前文所提到的那样，能谱从大约1TeV左右出现了急剧下降。研究人员认为，这一尤为明显的转变表明，这些测量到的宇宙线电子最有可能来自我们太阳系附近的极少数来源，最多只有几千光年远。与银河系的大小相比，这个距离是相对较小的。

探索高能宇宙的奥秘

研究人员表示，这些发现的意义重大。一方面，他们缩小了可能作为附近宇宙线电子源的候选范围；另一方面，新的发现也引发了新的问题，比如这些粒子在如此高得能量下究竟是如何传播的？

未来的研究可能会集中在进一步增强粒子识别上，例如可以通过机器学习技术，并扩大直接测量的能量范围，以捕获更高能量的电子。H.E.S.S.合作项目为宇宙线物理学设立了一个新高度，但仍有许多高能宇宙的谜题，等待着天文学家去揭开。

#创作团队：

编译：不二北斗

排版：雯雯

#参考来源：

https://www.mpg.de/23743719/highest-electron-energies-measured-from-space

https://physics.aps.org/articles/v17/165

https://www.eurekalert.org/news-releases/1064916

#图片来源：

封面图&首图：Sabine Gloaguen