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类星体——宇宙最大的粒子加速器

2020/6/27 16:28:45 来源:原创 浏览:

我们这些弱小的人类认为我们可以加速粒子?看看我们,对大型强子对撞机感到如此自豪。但是,和类星体比起来,我们建造的任何粒子加速器都黯然失色。类星体是自然界第一的加速器。这些类星体简直如野兽一般。

术语类星体是“类星射电源”的一个尽管有些拙劣的缩写表达。20世纪50年代,类星体首次被发现,并因其原因不详的射电放射而得名。在图中,它们表现为星状光点。因而被命名为类星射电源。

事实上,类星体是活动星系核(AGN);并且是特别明亮的一种。

AGN是密集而拥挤的星系中心区域。研究表明,类星体发出的强烈亮度并不是来自星光。那里有别的什么东西。

哈勃空间望远镜传回的盘状星尘中隐藏了半人马射电源A的中心区域。

图源:NASA/ESA/Hubble

绝大多数或全部的星系,在其中心都有特大质量黑洞(SMBH)。围绕黑洞旋转的是一个待确认的圆形物质,被黑洞强劲的引力吸引着。旋转的圆盘中的物质将加速到相对论速度。在被加速的同时,它的温度上升并开始发光。绝对蓝星是我们所知的最持久的发光体。而类星体是最强的绝对蓝星。宇航员们曾经观察到剧烈的电磁辐射,从无线电波到伽马射线,跨越了整片光谱。

一项新研究着眼于类星体的能量。他们研究最强的辐射——伽马射线,发现辐射的来源不仅仅受限于中心区域大小。那个尚未确定的圆盘也位于这里。伽马射线的辐射还来自于等离子流,这些等离子流有几千光年长,并且从中心区域向外发散。

这是一张半人马射电源A的钱德拉X射线天文台图像。它展示了一个自中心黑洞延伸

30,000光年的相对论性喷射。

图源:R.卡夫(SAO)等人,CXO,美国宇航局(NASA)

这项新研究的标题是“半人马射电源A喷流的高能量加速解算”,它由 H.E.S.S.合作组织联合创作, H.E.S.S.是一个聚集了来自13个国家超过200名研究人员的团体组织。这篇论文在《自然》上发表。

半人马射电源A,又叫NGC 5128,是距我们最近的射电星系,因此它的活动星系核(AGN)已被广泛研究。它也十分明亮,因而业余天文学爱好者也十分了解它。它的结构细节广为人知。

半人马座A的彩色合成图像,显示了活跃星系中央黑洞的裂片和喷流。这是由三种仪器在不同波长下获得的图像合成的。来自APEX上LABOCA的870微米亚毫米数据显示为橙色。钱德拉X射线天文台的X射线数据显示为蓝色。位于智利拉希拉的MPG/ESO 2.2米望远镜上的广域成像仪(WFI)的可见光数据显示,恒星和星系特有的尘埃带接近“本色”。ESO/WFI(光学)

但是新研究的结论向我们对类星体的理解提出了新问题。

伽马射线由超高能光子组成。对它们的观测是研究宇宙中最高能事物的关键,比如类星体。

H.E.S.S.是高能立体视野系统的缩写。它是一个位于纳米比亚的天线阵列,用来研究甚高能(VHE)伽马射线天体物理学。为了这项工作,H.E.E.S.花费了超过200个小时以高分辨率观测半人马射电源A。研究员不仅能研究等离子体喷射结构轨道,也能辨认出高能辐射源。

HESS数组中的大型中央望远镜,负责对高能量伽马射线中爆发的射线作首检。图片来源:MPIK / Christian Föhr。 他们发现伽马辐射不仅来自于星系的中央,附近的黑洞和吸积盘,还有喷射流。这些喷射流延伸了数千光年。这意味着,粒子加速不限于恒星吸积盘,而是充当着数千光年长度的粒子加速器。

来自该研究的这幅图展示了半人马射电源的超高能伽马放射区域。图源HESS联合组织。该研究的一个结果是,这些喷射流、和它们的高能辐射,可能是宇宙中大量背景伽马射线的来源。

宇宙中有很多射电星系。如果进一步研究能够表明也放射伽马射线,这对解释宇宙的背景伽马射线将有很大帮助。

H.E.E.S.是我们目前所有的最灵敏的伽马射线观测台。但是很快,切伦科夫望远镜阵(CTA)将全面运转。这台设备可以对半人马射电源A及其他类星体做更加详细的观察。

通常情况下,地球上无法观测伽马射线,需要依靠航天天文台,像费米伽马射线太空望远镜来找寻它们的踪迹。然而H.E.E.S.和CTA阵采取了其他方法。

H.E.E.S.与切伦科夫望远镜阵都测量了切伦科夫辐射.当高能伽马射线撞击地球大气层,有时会产生极高速电子/阳电子对。如果大气层中这些粒子的速度超越光速,就会发出切伦科夫辐射。

作者: EVAN GOUGH

FY:Astronomical volunteer team

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