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  • 地球周围的反物质之谜,竟然与脉冲星,释放的伽马射线有关

    美国宇航局费米伽马射线太空望远镜在脉冲星周围发现了微弱但蔓延的高能光辉。如果肉眼可见,这个伽马射线“光晕”在天空中看起来会比满月大40倍。这种结构可能会为一个长期存在,关于反物质数量的谜团提供解决方案。美国宇航局戈达德太空飞行中心的天体物理学家马蒂娅·迪·毛罗(Mattia Di Mauro)说:分析表明,这颗脉冲星可能导致了一个长达十年的谜团,即为什么一种类型的宇宙粒子在地球附近异常丰富。

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    这些是正电子,也就是反物质版的电子,来自太阳系之外的某个地方,其研究发现发表在《物理评论D》期刊上。中子星是当一颗比太阳大得多的恒星耗尽燃料,在自身重量下坍塌并作为超新星爆炸时留下的核心。脉冲星也是中子星的一种,这些快速旋转的脉冲星发出光束,就像灯塔一样,有规律地扫过我们的视线。Geminga(发音为geh-ming-ga)由NASA的小天文卫星2号于1972年发现,是伽马射线中最亮的脉冲星之一。

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    Geminga位于大约800光年之外的双子座,Geminga的名字既是对意大利米兰方言中“双子座伽马射线源”和“它不在那里”的表达方式,指的是天文学家无法在其他能量找到该天体。Geminga最终在1991年3月被发现,当时德国ROSAT任务接收到的闪烁X射线显示:来源是一颗每秒自转4.2次的脉冲星。脉冲星自然地被一团电子和正电子包围着,这是因为中子星的强磁场将粒子从脉冲星表面拉出,并将它们加速到接近光速。

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    电子和正电子属于被称为宇宙射线的快速粒子,它们起源于太阳系以外。由于宇宙射线粒子带有电荷,当它们在前往地球的旅途中遇到磁场时,它们的路径会变得混乱。这意味着天文学家不能直接追踪它们的来源。在过去的十年里,费米宇宙线、美国宇航局国际空间站上的阿尔法磁谱仪(AMS-02)和其他近地空间实验的宇宙射线测量发现,高能正电子数量比科学家预期的要多,而脉冲星是主要的可能性。

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    然后,在2017年墨西哥普埃布拉高海拔水切伦科夫伽马射线天文台(HAWC)的科学家证实:早些时候在Geminga周围地面探测到了一个小型伽马射线晕。在5万亿到40万亿电子伏特的能量下,观察到了这种结构——光的能量是我们肉眼所能看到的数万亿倍。科学家们认为,当加速的电子和正电子与附近的星光相撞时,就会产生这种辐射,碰撞将光提升到更高的能量。根据光晕的大小,HAWC团队得出结论,在这些能量下的Geminga正电子很少到达地球。

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    如果是真的,这将意味着观察到的正电子过剩一定有更奇特解释。但对脉冲星起源的研究兴趣仍在继续,双子座是最前沿和中心的,对费米大面积望远镜(LAT)获取的十年Geminga伽马射线数据的分析,LAT比HAWC观测到的能量更低。该研究的合著者、德国RWTH亚琛大学博士后西尔维亚·曼科尼说:为了研究这个光晕,必须减去所有其他伽马射线源,包括宇宙射线与星际气体云碰撞产生的漫反射光,研究使用了10种不同的星际发射模型来研究这些数据。

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    当这些源被移除时,留下的是一道巨大椭圆形光芒,能量为100亿电子伏特(GeV),在天空中跨度约20度。这类似于著名北斗七星图案的大小,在较低的能量下,光晕甚至更大。意大利国家核物理研究所和都灵大学的合著者菲奥伦扎·多纳托解释说:较低能量的粒子在遇到星光之前,会在距离脉冲星更远的地方飞行,将部分能量转移到脉冲星上,并将光线提升为伽马射线。这就是为什么伽马射线发射以较低能量覆盖了更大的区域

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    此外,双子座光晕被拉长的部分原因是脉冲星在太空中的运动。研究小组确定费米LAT数据与HAWC早先的观测结果一致,在AMS-02实验中看到的高能正电子中,仅Geminga一个就可能占到20%。根据银河系中所有脉冲星的累积辐射推算,很明显,脉冲星仍然是正电子过剩的最佳解释。研究证明了研究单个来源以预测它们对宇宙射线贡献的重要性。这是一个令人兴奋新领域的一个方面,这个领域被称为多传播者天文学。

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    博科园|研究/来自:美国宇航局

    参考期刊《物理评论D》

    DOI: 10.1103/PhysRevD.100.123015

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