天文學(xué)家以前所未有的細(xì)節(jié)揭示了宇宙粒子加速器

白矮星是燃燒殆盡的恒星，它們自我坍縮并發(fā)展成極其致密的天體。新星事件的發(fā)生，例如，當(dāng)白矮星與一顆大恒星處于一個(gè)雙星系統(tǒng)中時(shí)，白矮星由于其引力而從其質(zhì)量更大的同伴那里“吸食”物質(zhì)。一旦聚集的物質(zhì)超過(guò)一個(gè)臨界水平，它就會(huì)在白矮星的表面引發(fā)一場(chǎng)熱核爆炸。有些新星是已知會(huì)重復(fù)出現(xiàn)的。RS Ophiuchi就是這些重復(fù)出現(xiàn)的新星之一；每隔15到20年就會(huì)在其表面發(fā)生一次爆炸。“形成該系統(tǒng)的恒星彼此之間的距離大約與地球和太陽(yáng)相同，”紐倫堡大學(xué)的研究員、H.E.S.S新星項(xiàng)目的主要調(diào)查員Alison Mitchell解釋說(shuō)。“當(dāng)新星在2021年8月爆炸時(shí)，H.E.S.S.望遠(yuǎn)鏡讓我們第一次在極高能量的伽馬射線中觀察到星系爆炸。”

研究小組觀察到，這些粒子被加速到比以前在新星中觀察到的能量高幾百倍。此外，因爆炸而釋放的能量被極其有效地轉(zhuǎn)化為加速的質(zhì)子和重核，因此粒子加速達(dá)到了理論模型中計(jì)算的最大速度。據(jù)該研究的主要作者之一、位于Zeuthen的DESY的博士生Ruslan Konno說(shuō)：“觀察到粒子加速的理論極限實(shí)際上可以在真正的宇宙沖擊波中達(dá)到，這對(duì)天體物理學(xué)有巨大的影響。它表明，加速過(guò)程在其更為極端的‘近親’--超新星中也可能同樣有效。”

在RS Ophiuchi爆發(fā)期間，研究人員首次能夠?qū)崟r(shí)跟蹤新星的發(fā)展，使他們能夠像看電影一樣觀察和研究宇宙粒子加速。研究人員能夠測(cè)量高能伽馬射線，直到爆炸后一個(gè)月。“這是我們第一次能夠進(jìn)行這樣的觀測(cè)，它將使我們未來(lái)能夠更準(zhǔn)確地了解宇宙爆炸的工作原理，”日本東京立教大學(xué)的理論天體物理學(xué)家Dmitry Khangulyan解釋說(shuō)。“例如，我們可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，新星對(duì)永遠(yuǎn)存在的大量宇宙射線做出了貢獻(xiàn)，因此對(duì)其周圍的動(dòng)態(tài)有相當(dāng)大的影響。”宇宙射線是巨大的高能亞原子粒子‘雨’，它們同時(shí)來(lái)自空間的各個(gè)方向，其確切的來(lái)源并不清楚。

這些測(cè)量需要特定的望遠(yuǎn)鏡。位于納米比亞的H.E.S.S.設(shè)施（代表高能立體系統(tǒng)）由五個(gè)切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成，用于研究來(lái)自太空的伽馬射線。最近在最大的望遠(yuǎn)鏡中安裝了一臺(tái)新的、高度敏感的先進(jìn)相機(jī)--被稱為FlashCam。FlashCam的設(shè)計(jì)目前正在為下一代伽馬射線觀測(cè)站--切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（CTA）進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。“新相機(jī)自2019年底開(kāi)始使用，這次測(cè)量顯示了最新一代相機(jī)的潛力有多大，”參與分析相機(jī)數(shù)據(jù)的馬克斯-普朗克核物理研究所的博士生Simon Steinma?l解釋說(shuō)。

在業(yè)余天文學(xué)家首次向天體物理學(xué)界報(bào)告這顆新星后，望遠(yuǎn)鏡在很短的時(shí)間內(nèi)被指向了這顆新星。這次觀測(cè)的成功在很大程度上歸功于研究人員和更廣泛的天文界的快速反應(yīng)，為隨后的廣泛觀測(cè)鋪平了道路。H.E.S.S.主任Stefan Wagner是海德堡地區(qū)觀測(cè)站的教授，他解釋說(shuō)：“在接下來(lái)的幾年里，利用CTA望遠(yuǎn)鏡的研究將顯示這種類型的新星是否特殊。”此外，研究人員現(xiàn)在對(duì)要尋找的東西有了更清晰的認(rèn)識(shí)。這就產(chǎn)生了一些新的可能性，以獲得更好的理解并能更好地解釋與新星有關(guān)的事件。“這次測(cè)量是伽馬射線天文學(xué)的進(jìn)一步成功，也是一個(gè)令人鼓舞的跡象，我們將能夠用H.E.S.S.和未來(lái)的伽馬射線望遠(yuǎn)鏡研究更多的宇宙爆炸。”