来自海山二双星系统的高能粒子的奥秘

▲19世纪40年代，海山二（Eta Carinae）的恒星大爆发产生了波涛汹涌的侏儒星云（Homunculus Nebula）。该照片由哈勃望远镜拍摄。

据《自然·航空学》（Nature Aeronautics）杂志7月2日刊发的一篇研究论文称，美国科学家利用国家航空航天局（NASA）的核光谱望远镜阵列（Nuclear Spectroscopic Telescope Array，简称“核星（NuSTAR）”）进行的一项最新研究表明，在离地球一万光年距离之内，亮度最大且质量最大的恒星系统海山二（Eta Carinae）正在将粒子加速到高能状态，而其中一些粒子可能以宇宙射线的形式抵达了地球。

NASA戈达德太空飞行中心（Goddard Space Flight Center)天体物理学家滨口健二（Kenji Hamaguchi）解释道：“我们知道，恒星爆炸的冲击波可以加速宇宙射线粒子的运动，让其达到与光速相当的速度，这是一种令人难以置信的能量提升，而类似的过程肯定也会在其它极端环境中发生。我们经分析发现，海山二星就属于其中之一。天文学家一直知道，有能量超过10亿电子伏（eV）的宇宙射线从太阳系之外射向我们。但是，由于这些粒子——电子、质子和原子核——都带有电荷，当它们遇到磁场时就会偏离方向。这就扰乱了它们的路径，从而让我们无从得知它们从何而来。”

海山二位于距地球7500光年的船底座（Carina）南部，它因19世纪的一次爆发而闻名于世，在那次事件中它短暂地成为了天空中第二明亮的恒星。另外，在这一天文事件中，它还喷射出了一个巨大的沙漏状星云，而其喷发的原因至今仍未明确。该星座系统中包含着一对大质量恒星，其偏心轨道让它们每5.5年就会产生一次异常接近的“亲密接触”。这两颗恒星的质量分别是太阳的90倍和30倍，在最为接近之时，它们之间的距离为1.4亿英里（2.25亿公里）——大约是火星和太阳之间的平均距离。

该研究团队成员迈克·科克伦（Michael Corcoran）说：“海山二的两颗恒星都会产生被称为‘星风’的强劲物质流。每当轨道周期中星风发生碰撞的位置改变时，就会产生周期性的低能量X射线信号，20多年来我们对这一信号进行了持续地追踪。”NASA的费米伽马射线太空望远镜（Fermi Gamma-ray Space Telescope）也发现来自海山二的伽玛射线发生了变化，而伽玛射线所携带的能量要比X射线多得多。然而，由于费米的成像性能并不像X射线望远镜那么锐利，天文学家无法证实两者之间的联系。

为了把低能量X射线的监测数据和费米伽马射线的观测结果联系起来，滨口健二和同事们开始借助于“核星”（NuSTAR）。“核星”发射于2012年，它比以往任何望远镜都能更好地聚焦测量具有更多能量的X射线。将最新获取的数据与之前存档的数据相结合，该研究小组研究了2014年3月至2016年6月期间“核星”所获得的观测数据。另外，他们还采用了欧洲航天局（European Space Agency）的“XMM-牛顿卫星”（多镜片X射线观测卫星）同期所获得的低能量X射线观测数据。一方面，海山二的低能量X射线（软X射线）来自于星风相互碰撞的交界面，那里的温度超过了7000万华氏度（4000万摄氏度）。另一方面，“核星”探测到了一个发射出超过30000电子伏的X射线的信号源，而这一能量大约是星风碰撞所产生冲击波能量的三倍之多。相比之下，可见光的能量范围仅仅在2到3个电子伏之间。

该论文结论表明，这些硬X射线随双轨道周期的变化而变化，并且表现出与“费米”所观测到的伽马射线相类似的能量输出模式。研究人员称，对于硬X射线和伽玛射线这一现象最好的解释是，星风碰撞交界处的猛烈激波加速了电子的运动。“核星”探测到的X射线和费米探测到的伽玛射线都来自被这些电子相互作用赋予了巨大能量的恒星之光。一些超高速电子及其它加速粒子必须逃离出该系统，其中一些也许最终会抵达地球，从而成为可能被我们探测到的宇宙射线。美国加州理工学院（Caltech）的天体物理学教授菲奥娜·哈里斯（Fiona Harrison）说：“我们已经在不久前知道，海山二周围区域是高能X射线和伽马射线的高能发射源，但是最近“核星”才精确地定位辐射的来源是该双星系统，我们也才详细地研究了该辐射的特性，从而解开了关于其起源的奥秘。”

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编译：朱明逸 审稿：alone 编辑：张梦

来源：https://scitechdaily.com/nustar-telescope-shows-eta-carinae-shoots-cosmic-rays/