河北
这么多年来，科学家们一直在寻找银河系中能量最高的粒子的来源，这些宇宙射线携带的能量远超人造粒子加速器所能达到的水平。
现在，来自高海拔宇宙线观测站（LHAASO）的观测揭示了一个双星系统，它推动粒子突破了关键的能量屏障。这个名为LS I +61° 303的系统探测到其发出超过100万亿电子伏特（TeV）的伽马射线——这让它稳居超高能源之列。
作为对比，这比最强的人造加速器——大型强子对撞机——里单个质子携带的能量高出15倍以上，后者单个质子能量最高约6.5 TeV。
这是在伽马射线双星中首次确认了如此极端的辐射，说明这些系统可以充当拍电子伏特加速器（PeVatron），能将粒子加速到拍电子伏特（PeV）能量。
“在这项研究中，我们利用LHAASO观测数据，首次明确探测到了来自伽马射线双星LS I +61° 303的伽马射线辐射，能量直达超高能范围，”研究作者指出。
简单来说，一个双星系统展现出了理论并没有明确预测过的那么强的粒子加速能力。
不看光线，看粒子留下的痕迹
捕捉这么极端的现象，不像拿个望远镜对着天空那么简单。这种能量的伽马射线不会直接到达探测器——它们与地球大气层碰撞，引发粒子级联，也就是空气簇射。
LHAASO 就是为了捕捉这些粒子级联而建。通过追踪这些次级粒子怎么扩散、怎么落到地面，科学家可以反推，估算入射伽马射线的能量和来源。
这种方法让研究人员可以远远超过先前对 LS I +61° 303 的测量结果（之前只追踪到大约10 TeV）。借助 LHAASO 的灵敏度，研究团队把观测到的能量范围扩展到了近200 TeV，清楚地识别出了超过100 TeV阈值的信号。
这个跳跃改变了系统的分类，直接把它升格成超高能发射体。“这些结果提供了LS I +61° 303中存在极端粒子加速的令人信服的证据，”研究作者指出。
轨道怎么给加速器“重新布线”
这个系统LS I +61° 303一点也不稳定。一颗大质量恒星和一个致密天体——可能是一颗中子星或黑洞——每26.5天彼此转着圈，不断改变周围的环境。研究人员发现，伽马射线的输出不只是升高或降低——随着轨道移动，它在不同能量下变化的方式也不一样。
这种跟能量挂钩的变化说明加速环境一直在变。磁场强度、粒子密度和碰撞区域等条件随着恒星运动而改变，也就是说，产生伽马射线的这个“引擎”从来就没稳定过。
这种不稳定性还能帮我们搞清楚到底是哪些粒子在参与。在如此强的磁场中，电子会迅速失去能量，难以达到超高能量。所以，一旦出现能量超过100 TeV的伽马射线，就几乎可以肯定背后是质子或者更重的粒子在干活。
研究作者表示：“我们识别出16个疑似光子的事件，能量超过100 TeV，相比之下，估计的背景事件只有5.1个。”
这些粒子能飞得更远，撞上稠密的恒星风，通过高能反应产生伽马射线。这就把伽马射线双星和更常见的候选体（比如超新星遗迹）区分开了，后者的加速过程相对更稳当。
在这个系统中，能量输出好像跟轨道运动有关，让系统更活跃、更难预测。
宇宙重量级候选者名单里又多了个
最高能量的宇宙射线从哪儿来，一个多世纪了还没搞清楚，部分原因是没有任何一种源能完全解释观测到的结果。这个发现多了一个新的候选者。这说明，伽马射线双星不光能量大——还能达到PeVatron所需的极端条件。
研究作者表示：“我们的成果前所未有地触及到了超高能能区，并对伽马射线双星中粒子加速的本质给出了新的限制。”
与此同时，这一发现让现有模型更复杂了。强烈依赖轨道相位表明，粒子加速可能会在短时间内切换方式或改变效率。这比超新星爆发这种稳态的一次性事件建模起来更难。
不过，还是有很多不确定的地方。加速的具体机制还没搞清楚。此外，虽然伽马射线表明是强子过程，但直接确认还需要其他信号，比如中微子。
下一步很可能会重点放在结合不同信使粒子的观测上，包括伽马射线、宇宙射线和中微子，这样能更清楚地搞清楚这些系统内部发生了什么。
该研究发在《物理评论快报》这本期刊上。
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