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一个世纪以来,物理学家们一直在追问同一个问题:宇宙中那些拥有惊人能量的粒子,究竟从哪里来?
现在,答案或许部分藏在一对相互绕转的恒星里。
这是粒子天体物理学领域一个真正意义上的里程碑。
太电子伏特(TeV)这个单位,在日常语境里几乎没有参照物。不妨做一个比较:欧洲大型强子对撞机(LHC)是人类建造过的最强大粒子加速器,其中单个质子的运行能量约为6.5 TeV。而LS I +61° 303喷出的伽马射线光子,携带能量超过100 TeV,是LHC单质子能量的15倍以上。
更令人震惊的是,研究团队在数据中识别出了16个能量超过100 TeV的光子级事件,而同一方向的预计背景噪声仅为5.1个,这意味着这些信号绝非随机涨落,而是真实存在的极端辐射。
观测这类现象的方式,本身也颇为精巧。能量如此之高的伽马射线,进入地球大气层后不会直接抵达地面,而是与空气分子碰撞,引发一场被称为"大气簇射"的粒子瀑布,产生次级粒子级联向地面扩散。LHAASO坐落于四川稻城海拔4410米的高原上,专门设计用于捕捉这些次级粒子的扩散足迹,通过逆向重建,推算出原始伽马射线的能量和来源。
正是凭借LHAASO前所未有的灵敏度,科学家们才将对LS I +61° 303的观测能谱从此前约10 TeV的上限,一举推进到近200 TeV,并在100 TeV以上明确识别出有效信号。
LS I +61° 303这个系统本身,已经足够奇特。它由一颗大质量恒星和一个致密天体(很可能是中子星或黑洞)组成,两者每隔26.5天完成一次相互绕转。这种轨道运动使周围的物理环境持续处于剧烈变化中,磁场强度、粒子密度以及两天体之间的碰撞区域,都随轨道相位的推进而不断演化。
研究团队发现,这个系统的伽马射线辐射并非简单的随机涨落,而是呈现出与轨道相位密切相关的调制特征,且不同能量段的变化模式各不相同。这种"能量依赖的轨道调制",揭示了一个永远处于非稳态的粒子加速引擎。
这一特征还帮助科学家进一步锁定了参与加速的粒子类型。在强磁场环境中,电子会极为迅速地损失能量,很难维持到100 TeV以上的极端能量级别。因此,当观测到如此高能的伽马射线时,理论上更可能是质子或更重的带电粒子在发挥主要作用,它们与致密天体周围的高密度恒星风碰撞,通过强子过程产生超高能光子。
这与超新星遗迹等传统宇宙射线加速候选体的物理图像截然不同。超新星爆发的加速过程相对稳定,可以用成熟理论模型描述;而这对双星提供的,是一个随轨道周期不断"重置"的动态加速场所,难以预测,却也因此包含了更丰富的物理信息。
LHAASO自2021年正式开始科学运行以来,已陆续发现多个超高能伽马射线源,将人类对银河系"极端粒子加速器"的认识边界一再推远。LS I +61° 303的确认,使伽马射线双星系统正式进入了"拍电子伏特(PeV)加速器"的候选名单。
一场跨越光、粒子与中微子的联合"审讯",正在宇宙深处悄然展开。
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