地球周圍的反物質之謎，竟然與脈衝星，釋放的伽馬射線有關！

2020-10-18 博科園

美國宇航局費米伽馬射線太空望遠鏡在脈衝星周圍發現了微弱但蔓延的高能光輝。如果肉眼可見，這個伽馬射線「光暈」在天空中看起來會比滿月大40倍。這種結構可能會為一個長期存在，關於反物質數量的謎團提供解決方案。美國宇航局戈達德太空飛行中心的天體物理學家馬蒂婭·迪·毛羅(Mattia Di Mauro)說：分析表明，這顆脈衝星可能導致了一個長達十年的謎團，即為什麼一種類型的宇宙粒子在地球附近異常豐富。

這些是正電子，也就是反物質版的電子，來自太陽系之外的某個地方，其研究發現發表在《物理評論D》期刊上。中子星是當一顆比太陽大得多的恆星耗盡燃料，在自身重量下坍塌並作為超新星爆炸時留下的核心。脈衝星也是中子星的一種，這些快速旋轉的脈衝星發出光束，就像燈塔一樣，有規律地掃過我們的視線。Geminga(發音為geh-ming-ga)由NASA的小天文衛星2號於1972年發現，是伽馬射線中最亮的脈衝星之一。

Geminga位於大約800光年之外的雙子座，Geminga的名字既是對義大利米蘭方言中「雙子座伽馬射線源」和「它不在那裡」的表達方式，指的是天文學家無法在其他能量找到該天體。Geminga最終在1991年3月被發現，當時德國ROSAT任務接收到的閃爍X射線顯示：來源是一顆每秒自轉4.2次的脈衝星。脈衝星自然地被一團電子和正電子包圍著，這是因為中子星的強磁場將粒子從脈衝星表面拉出，並將它們加速到接近光速。

電子和正電子屬於被稱為宇宙射線的快速粒子，它們起源於太陽系以外。由於宇宙射線粒子帶有電荷，當它們在前往地球的旅途中遇到磁場時，它們的路徑會變得混亂。這意味著天文學家不能直接追蹤它們的來源。在過去的十年裡，費米宇宙線、美國宇航局國際空間站上的阿爾法磁譜儀(AMS-02)和其他近地空間實驗的宇宙射線測量發現，高能正電子數量比科學家預期的要多，而脈衝星是主要的可能性。

然後，在2017年墨西哥普埃布拉高海拔水切倫科夫伽馬射線天文臺(HAWC)的科學家證實：早些時候在Geminga周圍地面探測到了一個小型伽馬射線暈。在5萬億到40萬億電子伏特的能量下，觀察到了這種結構——光的能量是我們肉眼所能看到的數萬億倍。科學家們認為，當加速的電子和正電子與附近的星光相撞時，就會產生這種輻射，碰撞將光提升到更高的能量。根據光暈的大小，HAWC團隊得出結論，在這些能量下的Geminga正電子很少到達地球。

如果是真的，這將意味著觀察到的正電子過剩一定有更奇特解釋。但對脈衝星起源的研究興趣仍在繼續，雙子座是最前沿和中心的，對費米大面積望遠鏡(LAT)獲取的十年Geminga伽馬射線數據的分析，LAT比HAWC觀測到的能量更低。該研究的合著者、德國RWTH亞琛大學博士後西爾維亞·曼科尼說：為了研究這個光暈，必須減去所有其他伽馬射線源，包括宇宙射線與星際氣體雲碰撞產生的漫反射光，研究使用了10種不同的星際發射模型來研究這些數據。

當這些源被移除時，留下的是一道巨大橢圓形光芒，能量為100億電子伏特(GeV)，在天空中跨度約20度。這類似於著名北鬥七星圖案的大小，在較低的能量下，光暈甚至更大。義大利國家核物理研究所和都靈大學的合著者菲奧倫扎·多納託解釋說：較低能量的粒子在遇到星光之前，會在距離脈衝星更遠的地方飛行，將部分能量轉移到脈衝星上，並將光線提升為伽馬射線。這就是為什麼伽馬射線發射以較低能量覆蓋了更大的區域

此外，雙子座光暈被拉長的部分原因是脈衝星在太空中的運動。研究小組確定費米LAT數據與HAWC早先的觀測結果一致，在AMS-02實驗中看到的高能正電子中，僅Geminga一個就可能佔到20%。根據銀河系中所有脈衝星的累積輻射推算，很明顯，脈衝星仍然是正電子過剩的最佳解釋。研究證明了研究單個來源以預測它們對宇宙射線貢獻的重要性。這是一個令人興奮新領域的一個方面，這個領域被稱為多傳播者天文學。

博科園｜研究/來自：美國宇航局

參考期刊《物理評論D》

DOI: 10.1103/PhysRevD.100.123015

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