久聞伽馬射線暴大名，誰知它就來自地球旁邊

過去，天文學(xué)家曾觀測到一顆臨近的有著奇怪光暈的脈沖星，它可以用來解釋一個困擾天文學(xué)家許久的問題。這顆名叫Geminga的脈沖星是距離地球最近的脈沖星之一，它與地球相距約八百光年，位于雙子座中。Geminga不僅離地球很近，而且它的伽馬射線也非常明亮。

顯然，由于它的波長與γ射線相當(dāng)，Geminga的光暈本身無法肉眼觀測

（它是被美國宇航局的費(fèi)米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡所發(fā)現(xiàn)的），但這個光環(huán)非常巨大，覆蓋了將近四十個滿月那么大的天空。這個光暈恰好能解釋一些發(fā)生在我們周圍的奇怪事情：地球附近為什么會有那么多反物質(zhì)？這些反物質(zhì)的出現(xiàn)曾困擾了科學(xué)家近十年。

“我們的分析表明，正是這顆脈沖星導(dǎo)致了一個長達(dá)十年也解不開的謎題，即為什么地球附近有一種宇宙粒子異常豐富？”任職于華盛頓的美國天主教大學(xué)和美國宇航局于馬里蘭州格林貝爾特的戈達(dá)德航天中心的天文學(xué)家瑪?shù)賮喌厦_（Mattia Di Mauro）如是說，“這些粒子是正電子，電子的反物質(zhì)版本，它們來自于太陽系外的某個地方?！?/p>

Geminga 的光環(huán)與北斗七星的比例顯示。 圖片來源：美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心。

脈沖星是大質(zhì)量恒星變成超新星之后的殘留物，而Geminga誕生于30萬年前雙子座發(fā)生的超新星爆發(fā)。那是一顆旋轉(zhuǎn)的中子星，以某種方式轉(zhuǎn)向了地球，它的能量就像燈塔掃過的光一樣掃過我們。

脈沖星通常由正負(fù)電子構(gòu)成的云所包圍。但因?yàn)橹凶有怯兄鴱?qiáng)于任何已知物體的強(qiáng)大的電磁場，它會把粒子從超新星的表面拉出，并將其加速到接近光速。

這些包括了電子和它們的反物質(zhì)對應(yīng)物，即正電子的高速移動粒子即為宇宙射線。因?yàn)橛钪嫔渚€帶有電荷，所以它們會受到磁場的影響。因此當(dāng)這些宇宙射線到達(dá)地球的時候，天文學(xué)家沒辦法對它們進(jìn)行準(zhǔn)確溯源。

在過去的十多年中，天文學(xué)家們用不同的實(shí)驗(yàn)儀器在地球附近觀測到了多于預(yù)期的大量高能正電子。諸如美國宇航局的費(fèi)米γ射線空間望遠(yuǎn)鏡，美國宇航局的α磁譜儀和其它實(shí)驗(yàn)儀器都捕捉到過它們?？茖W(xué)家們懷疑這些電子來自于包括Geminga在內(nèi)的臨近脈沖星。但由于這些正電子的運(yùn)動軌跡受到了磁場的影響，直到2017年上述觀點(diǎn)也沒能被證實(shí)。

就在2017年，高空水切倫科夫伽馬射線天文臺（HAWC）驗(yàn)證了那些地基觀測設(shè)備曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)的東西：在Geminga周圍，有一個體積雖小，強(qiáng)度很大的γ射線光暈。該天文臺在光暈結(jié)構(gòu)中檢測到高達(dá)5 ~ 40 TeV （太電子福特）的能量，這能量是我們眼睛所能看到光的數(shù)萬億倍。

最初，科學(xué)家認(rèn)為這種高能光暈是加速的正負(fù)電子與星光碰撞所產(chǎn)生。這樣的碰撞會使他們的能量激增并變得非常明亮。帶電粒子將部分的能量傳遞給光子時，這個過程就叫作逆康普頓散射。

因此，有一個團(tuán)隊用HAWC去觀測Geminga和它的光暈并得出了一個結(jié)論：基于這個光暈的大小，這些正電子不太可能到達(dá)地球，所以“地球周圍為什么有這么多正電子”這個問題一定還有別的答案。

但研究地球附近正電子存在的科學(xué)家們還沒有將脈沖星從他們的名單中刪除。 作為一顆近在咫尺的明亮脈沖星，Geminga對他們依然有十足的吸引力。

瑪?shù)賮喌厦_（Mattia Di Mauro）領(lǐng)導(dǎo)了一支小隊研究了費(fèi)米大面積望遠(yuǎn)鏡（LAT）十年間觀測到的Geminga的數(shù)據(jù)。LAT觀察到的光暈?zāi)芰勘菻AWC觀測的的低。迪毛羅以一作的身份發(fā)表了一篇文章來展示這一發(fā)現(xiàn)。這篇文章的標(biāo)題為“用Fermi-LAT分析Geminga周圍的γ射線和正電子通量的影響”，它發(fā)表在物理評論（Physics Reviwe）上.

這篇文章的合著者之一是西爾維婭曼科尼（Silvia Manconi），德國亞琛工業(yè)大學(xué)的博士后研究員。在研究發(fā)布的新聞稿中，曼科尼坦言：“為了研究這個光暈，我們必須將所有其他的γ射線源去掉，包括宇宙射線與星際氣體云碰撞產(chǎn)生的彌漫光。 我們用了10種不同的星際發(fā)射模型來研究數(shù)據(jù)”。

當(dāng)團(tuán)隊將所有其它空中的γ射線源去掉，整個數(shù)據(jù)展現(xiàn)出一個巨大的橢圓形結(jié)構(gòu)，即Geminga周圍的光暈。200億電子福特左右的高能結(jié)構(gòu)覆蓋了20度的天空，而較低能量的結(jié)構(gòu)甚至覆蓋了更大的區(qū)域。

研究的合著者菲奧倫扎·多納托（Fiorenza Donato）來自意大利國家核物理研究所和都靈大學(xué)。在新聞稿中，多納托說：“低能量粒子在遇到星光之前會離開脈沖星更遠(yuǎn)，將部分能量傳遞給它，并將星光增強(qiáng)為伽馬射線。 這就是為什么γ射線在較低能量下會覆蓋更大的區(qū)域，”多納托解釋說。“此外，Geminga的光暈被拉長了的部分原因是脈沖星在空間中運(yùn)動?！?/p>

該模型展示了隨著時間推移，Geminga的光暈的變化。有兩個因素在影響光環(huán)的形狀。一個是脈沖星在空間中的運(yùn)動，另一個是光暈的能級。光暈的能級越低，γ射線光暈就越大，反之，能級越高就光暈就越小。這是因?yàn)榈湍芰Ｗ釉谂c星光相互作用并被提升到γ射線能級之前，會在太空中傳播得更遠(yuǎn)，更加遠(yuǎn)離脈沖星。

圖片來源：美國宇航局戈達(dá)德太空飛行中心/ M. Di Mauro

該團(tuán)隊比較了LAT的數(shù)據(jù)和HAWC的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)這兩個數(shù)據(jù)集其實(shí)是匹配的。同時，他們還發(fā)現(xiàn)，在AMS-02觀測到的高能正電子中，有高達(dá)20%是來自附近明亮的Geminga。以此類推，對銀河系中累積的所有脈沖星噴射物也有類似的結(jié)論。由此觀之，脈沖星仍然是對原先謎題的最好解釋：它們是地球周圍所有正電子的來源。

“我們的工作證實(shí)了‘研究單一來源以預(yù)測它們對宇宙射線的影響’這一方法的重要性，”迪毛羅說。“這只是一個激動人心的新領(lǐng)域（我們稱之為“多介子天文學(xué)”）的小小側(cè)面，我們在該領(lǐng)域中除了光還使用多種信號（如宇宙射線）來研究宇宙?！?/p>

BY:??Evan Gough

FY:?樊瑞醬

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