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紫臺發現銀心宇宙線新成分以及宇宙線的磁屏蔽效應

  宇宙線是在極端天體環境中產生的高能帶電粒子,是研究眾多物理和天文問題如粒子加速、星際介質湍動屬性、星際磁場等的重要信使, 是我們觀察宇宙的重要窗口。宇宙線在源區被加速至相對論性能量,之后將在銀河系磁場中擴散傳播,并且經歷碰撞碎裂和能量損失等過程。這樣的傳播過程將使得銀河系中存在一個大尺度上處于近似穩衡態的宇宙線“?!?,其空間分布相對比較平滑,不存在突變。而在宇宙線加速源附近,其尺度相對銀河系較小,新加速的宇宙線將疊加在一個近似常數的背景上,形成一些局部的“熱斑”。宇宙線和星際介質碰撞可以產生伽馬射線,因此可以通過伽馬射線來研究宇宙線的起源和傳播等性質。

  銀河系的中心長期以來一直是天文學家最為關注的天體實驗室之一。銀心包含有超大質量黑洞、林林總總的天體以及預期存在的大量暗物質等,這使得人們對銀心的研究興趣長久不衰。2016年H.E.S.S.通過觀測銀心附近的彌散伽馬射線輻射,發現銀心存在持續的宇宙線加速現象,且可以將宇宙線加速到PeV能量,該加速源很可能和銀心的超大質量黑洞的活動有關。

  最近,中國科學院紫金山天文臺的黃曉淵研究員、袁強研究員和范一中研究員利用費米衛星的伽馬射線數據仔細研究了銀心附近區域的宇宙線分布。該研究團隊在較低的能段認證了H.E.S.S.等發現的PeV加速源的低能對應體。如圖1所示,在能譜分布上,費米衛星的測量結果與H.E.S.S和MAGIC的甚高能觀測結果自然銜接為一個冪律譜;而在空間分布上,費米數據給出的冪率分布指數與H.E.S.S和MAGIC在較高能段中測得的冪指數一致。這些一致的特征支持了銀心宇宙線源的存在,也說明該宇宙線源可以有效地加速橫跨多個能量段的高能粒子。

 

圖1. 銀心加速宇宙線輻射的伽馬射線能譜(左)和推斷的宇宙線空間分布冪律譜指數(右)

  此外,該研究團隊還發現在銀心附近的中心分子云區域的宇宙線能量密度比分子云外的宇宙線“?!钡哪芰棵芏雀停ㄒ妶D2)。這意味著中心分子云扮演著一個壁壘的角色,有效的阻止了宇宙線“?!敝械母吣芰W哟┤朐搮^域。其物理原因可能是因為分子云中的磁場強度更高,將宇宙線粒子屏蔽在分子云外。類似的磁屏蔽效應在我們的太陽系中其實早已觀測到,即宇宙線的太陽調制效應。我們的銀河系整體也類似于這樣一個壁壘,將河外的低能宇宙線“拒之門外”。


圖2. 宇宙線在銀心附近的能量密度分布。棕線表示宇宙線能量密度在中心分子云中的分布(隨著距離銀心距離增加而下降);藍線表示宇宙線海中的宇宙線能量密度(大約是個常數)

  該工作已在線發表Nature Communications,并被Nature Asia選為研究亮點(http://www.natureasia.com/en/research/highlight/13868),New Scientists等網站予以報道。此項研究得到了國家自然科學基金,中國科學院重點項目,江蘇省雙創計劃等的支持。

  文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-021-26436-z

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