7500光年外，發現兩顆藍巨星變身加速器，釋放超高能量伽馬射線！

2020-10-18 博科園

天文學家使用望遠鏡，現在證明了一種特定類型的雙星，是一種非常高能的宇宙伽馬輻射源。船底座埃塔雙星位於7500光年外的南天船底座，根據收集的數據，它發出能量高達400千兆電子伏特(GeV)的伽馬射線，大約是可見光能量的1000億倍。研究由德國電子同步加速器研究所（DESY）的斯特凡·歐姆、伊娃·萊瑟和馬蒂亞斯·富布林領導。

並在《天文學與天體物理學》期刊上公布了他們在伽馬射線天文臺高能立體系統(H.E.S.S.)上的發現。船底座埃塔雙是一個最高能的雙星系統，由兩顆藍巨星組成，其中一顆質量約為太陽的100倍，另一顆質量約為太陽的30倍。這兩顆恆星每隔5.5年在非常偏心的橢圓軌道上繞對方運行一次，它們之間的距離大約在太陽到火星和太陽到天王星的距離之間變化。這兩顆巨大恆星都將密集的超音速帶電粒子星風拋向太空。

在這個過程中，在短短5000年左右的時間裡，兩者中較大的一個損失了相當於一個太陽的質量。較小的一顆產生快速恆星風，速度約為每小時1100萬公裡（約為光速的百分之一）。在這兩種恆星風相撞的區域形成了一個巨大激波鋒面，將風中的物質加熱到極高溫度。在5000萬攝氏度左右，這種物質在X射線範圍內輻射明亮。然而，恆星風中的粒子還不夠熱，不足以發射伽馬輻射。然而，像這樣的衝擊區，通常是亞原子粒子被強大普遍電磁場加速的地方。

超高能量的世界

當粒子加速得如此之快時，它們也可以發射伽馬輻射。事實上，由美國國家航空航天局(NASA)運營的費米衛星和義大利航空航天局(ASI)雅居樂衛星在2009年已經探測到來自船底座埃塔雙星高達10GeV（吉電子伏）的高能伽馬射線。研究已經提出了不同模型來解釋這種伽馬輻射是如何產生的，它可能是由加速的電子或高能原子核產生。確定這兩種情況中哪一種是正確的至關重要：非常高能量的原子核佔了所謂宇宙射線的大部分。

宇宙射線是一種不斷從各個方向襲擊地球的亞原子宇宙冰雹。儘管對宇宙射線進行了100多年的密集研究，但宇宙射線的來源仍然不完全清楚。由於帶電原子核在穿越宇宙星際空間時受到宇宙磁場的偏轉，它們到達地球的方向不再指向它們的起源。另一方面，宇宙伽馬射線不會偏轉。因此，如果特定來源發出的伽馬射線能夠被證明來自高能原子核，那麼長期尋找的宇宙粒子輻射加速器之一就會被識別出來。

在船底座埃塔雙星的例子中，電子很難被加速到高能，因為它們在加速過程中不斷地被磁場偏轉，這使得它們再次失去能量。非常高能的伽馬輻射開始於100GeV以上，這在船底座埃塔雙星系統中是很難解釋的，因為它是由電子加速引起。衛星觀測數據已經表明，船底座埃塔雙星也會發射超過100GeV的伽馬輻射，這兩顆藍巨星近距離相遇的時候，H.E.SS已經成功地探測到了能量高達400GeV的這種輻射。

天然的粒子加速器

這使得這兩顆雙星成為已知的第一個源，在這個源中，非常高能量的伽馬輻射是由碰撞的恆星風產生。德國電子同步加速器研究所博士生魯斯蘭·科諾與海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的科學家們發表了一項配套研究：對H.E.SS和衛星測量的伽馬輻射進行分析表明，這種輻射最好被解釋為原子核加速的產物。這將使碰撞恆星風的激波區，成為一種新型宇宙射線天然粒子加速器。

有了以宇宙射線發現者維克多·弗朗茨·赫斯(Victor Franz Hess)命名的HES，以及即將到來的切倫科夫望遠鏡陣列(CTA)，科學家們希望更詳細地研究這一現象，並發現更多此類來源。切倫科夫望遠鏡陣列(CTA)是目前正在智利高地建造的下一代伽馬射線天文臺。多虧了對船底座埃塔雙星在所有波長的詳細觀測，恆星的性質、軌道和恆星風都得到了相對準確的確定。這讓天體物理學家對雙星系統及其歷史有了更好的了解。

為了說明船底座埃塔雙星的新觀測結果，德國電子同步加速器研究所天體物理學家與獲獎的科學傳播實驗室動畫專家一起製作了一段視頻動畫。計算機生成的圖像接近真實，因為測量的軌道、恆星和風參數都用於此目的。與獨家創作的聲音一起，科學家、動畫藝術家和音樂家的這種獨特合作產生了一部多媒體作品，將觀眾帶到7500光年外高能量的雙星上進行一次非凡旅行。

博科園｜研究/來自：德國電子同步加速器研究所

參考期刊《天文學與天體物理學》

DOI: 10.1051/0004-6361/201936761

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