1萬光年範圍內亮度最大、質量最大的恆星系統Eta Carinae正在加速宇宙射線

在1萬光年範圍內亮度最大、質量最大的恆星系統Eta Carinae正在加速宇宙射線

一項新的研究利用美國國家航空航天局(NASA)的NuSTAR太空望遠鏡的數據表明，在1萬光年範圍內最明亮、最龐大的恆星系統Eta Carinae正在加速粒子的高能量，其中一些可能會以宇宙射線的形式到達地球。

「我們知道，爆炸恆星的衝擊波可以加速宇宙射線粒子的速度，達到與光速相當的速度，這是一種難以置信的能量提升，」美國宇航局戈達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)天體物理學家濱口健二(Kenji Hamaguchi)說。類似的過程必須發生在其他極端環境中。我們的分析表明，海牛亞科就是其中之一。

天文學家知道，能量超過10億電子伏(eV)的宇宙射線來自太陽系之外的我們。但因為這些粒子——電子、質子和原子核——都帶有電荷，所以它們在遇到磁場時就偏離了方向。這打亂了他們的道路，掩蓋了他們的起源。

Eta Carinae位於距地球7500光年的船底座(Carina)南部，因19世紀的一次爆發而出名，短暫地使它成為天空中第二亮的恆星。這一事件還噴射出了一個巨大的沙漏狀星雲，但噴發的原因仍不清楚。

該系統包含一對大質量恆星，其偏心軌道使它們每5.5年異常接近一次。這些恆星的質量分別是太陽的90倍和30倍，在最近的距離下，它們之間的距離為1.4億英里(2.25億公里)——大約是火星和太陽之間的平均距離。

「Eta Carinae的兩顆星都被稱為恆星風，」團隊成員、同樣在Goddard工作的Michael Corcoran說。「當這些風在軌道周期中發生碰撞時，就會產生周期信號，這是我們20多年來一直跟蹤的低能量x射線。」

美國宇航局的費米伽馬射線太空望遠鏡也觀察到伽馬射線的變化——光比x射線的能量要大得多——從一個源頭到埃塔卡里亞的方向。但費米的視力並不像x射線望遠鏡那樣銳利，因此天文學家無法證實兩者之間的聯繫。

為了彌補低能量x射線監測和費米觀測之間的差距，濱口和他的同事們轉向了NuSTAR。NuSTAR發射於2012年，它可以將比以往任何望遠鏡更大的能量聚焦到x射線上。該研究小組利用最新獲取的和存檔的數據，研究了2014年3月至2016年6月期間獲得的新星觀測數據，以及同期歐洲航天局(European Space Agency)的XMM-Newton衛星的低能量x射線觀測數據。

Eta Carinae的低能量或軟x射線來自碰撞恆星風的交界面，那裡的溫度超過7000萬華氏度(4000萬攝氏度)。但是，NuSTAR探測到的一個源發出的x射線超過30,000 eV，大約是碰撞風中的衝擊波的三倍。相比之下，可見光的能量在2到3 eV之間。

研究小組在7月2日發表在《自然天文學》(Nature aeronautics)雜誌上的一篇論文中進行了分析，結果顯示，這些「硬」x射線隨雙軌道周期的變化而變化，並顯示出與費米觀測到的伽馬射線類似的能量輸出模式。

研究人員說，硬x射線和伽瑪射線發射的最好解釋是，電子在猛烈的激波中沿著碰撞的恆星風的邊界加速。核星探測到的x射線和費米探測到的伽瑪射線都來自星光，與這些電子相互作用產生了巨大的能量。

一些超高速電子，以及其他加速粒子，必須逃離系統，也許有些最終會漂到地球，在那裡它們可能被探測為宇宙射線。

「我們早就知道，Eta Carinae周圍的區域是高能x射線和伽瑪射線的高能發射源，」NuSTAR的首席研究員、加州帕薩迪納加州理工學院(Caltech)天文學教授菲奧娜·哈里森(Fiona Harrison)說。「但直到NuSTAR能夠精確地定位輻射，顯示它來自雙星，並詳細研究它的性質之前，它的起源一直是個謎。」

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