天文学家测量了迄今为止最高能量的宇宙电子 _宇宙

H.E.S.S.天文台位于纳米比亚的科玛斯高地，海拔1835米，位于南部天空之下。图片来源：Sabine Gloaguen
据马克斯·普朗克学会：H.E.S.S.在纳米比亚合作的五台望远镜用于研究宇宙辐射，特别是伽马辐射。通过10年的观测数据，研究人员现在能够以超过10万亿电子伏特的前所未有的能量探测宇宙电子和正电子。
由于带电粒子被我们宇宙附近的磁场向各个方向偏转，因此很难确定它们的起源。然而，这一次，高达最高能量值的测量粒子能谱的卓越质量开辟了新的可能性：科学家们怀疑，可能不超过几千光年远的脉冲星可能是来源。
宇宙拥有极端的环境，从最冷的温度到最具能量的来源。超新星遗迹、脉冲星或活动星系核等极端物体会产生带电粒子和伽马辐射，其能量远高于恒星核聚变等热过程中达到的能量。
当发射的伽马射线不受干扰地穿过太空时，带电粒子或宇宙射线被宇宙中无处不在的磁场偏转，并从各个方向各向同性地到达地球。这意味着研究人员无法直接推断辐射的来源。
此外，带电粒子通过与光和磁场的相互作用而损失能量。对于能量超过万亿电子伏特标记的高能电子和正电子（电子的带正电的反粒子），这些损失尤其强烈。
当地球上的仪器测量到如此高能量的带电宇宙粒子时，这意味着它们不可能走得很远。这表明在我们的太阳系附近存在强大的天然粒子加速器。
光谱中的扭结揭示了起源
在一项新的分析中，美国宇航局合作的科学家首次缩小了这些宇宙粒子的来源范围。分析的起点是测量宇宙射线的光谱，即测量的电子和正电子的能量分布。该分析基于10年的观测，保证了高数据质量。积分电子能谱延伸到几十兆电子伏特。
这篇论文发表在《物理评论快报》杂志上。
海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的Werner Hofmann说：“我们的测量不仅提供了关键的、以前未被探索的能量范围内的数据，影响了我们对当地社区的理解，而且它也可能在未来几年保持基准。” 。
在以TeV能量下相对较小的误差条为特征的光谱中，在大约1兆电子伏特处出现了一个明显的扭结。在这一突破之上和之下，光谱都遵循幂律，没有任何进一步的异常。
穿越银河系
为了找出是哪个天体物理过程将电子加速到如此高的能量，以及扭结的起源，研究人员将这些数据与模型预测进行了比较。候选源是脉冲星，它们是具有强磁场的恒星残骸。一些脉冲星将带电粒子风吹向周围环境，而这种风的磁激波前沿可能是粒子受到增强的地方。
这同样适用于超新星遗迹的激波前沿。计算机模型表明，以这种方式加速的电子以一定的能量分布进入太空。这些模型追踪电子和正电子在银河系中的运动，并计算它们与银河系中磁场和光相互作用时的能量变化。
在这个过程中，粒子损失了太多的能量，以至于它们的原始能谱被扭曲了。在最后一步，天体物理学家试图将他们的模型与数据相匹配，以便更多地了解天体物理源的性质。
但是，是什么物体将望远镜测量到的电子抛入太空的呢？能量低于1兆电子伏特的粒子光谱可能由来自不同脉冲星或超新星遗迹的电子和正电子组成。
然而，在更高的能量下，出现了一幅不同的画面：能谱从大约1兆电子伏特急剧下降。研究天文源加速的粒子及其在银河磁场中的扩散的模型也证实了这一点。这种在1兆电子伏特的跃迁特别明显，异常尖锐。
波茨坦大学的Kathrin Egberts说：“这是一个重要的结果，因为我们可以得出结论，测量到的电子很可能来自我们太阳系附近的极少数来源，最远可达几千光年。” 。与银河系的大小相比，这个距离相对较小。
Egberts继续说道：“不同距离的震源会大大冲刷掉这种扭结。” 。
根据Hofmann的说法，即使是一颗脉冲星也可能对高能电子光谱负责。然而，目前尚不清楚是哪一颗。由于源必须非常靠近，因此只有少数脉冲星受到质疑。