核光譜望遠鏡陣列證明超級巨星海山二發射宇宙射線

一項新的研究利用美國國家航空航天局(NASA)的核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）太空望遠鏡的數據表明，在1萬光年範圍內最明亮、最龐大的恆星系統船底座海山二星（Eta Carinae）正在加速的高能量粒子，其中一些能量可能會以宇宙射線的形式到達地球。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：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，類似的過程必須發生在其他極端環境中，分析表明船底座海山二就是其中之一。

19世紀40年代海山二大爆發創造了滾滾的侏儒星雲，由哈勃拍攝。現在大約有一光年長，膨脹的雲包含了足夠的物質來製造至少10份太陽，天文學家還不能解釋這次噴發的原因。圖片：NASA, ESA, and the Hubble SM4 ERO Team

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。但是因為這些粒子——電子、質子和原子核——都帶有電荷，所以它們在遇到磁場時就會偏離方向。這打亂了他們的道路，掩蓋了來源。海山二星位於距地球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。這些恆星的質量是我們太陽的90到30倍，在距離火星和太陽的平均距離上，它們的距離是1.4億英里(2.25億公里)。

團隊成員同樣在Goddard工作的Michael Corcoran說：船底座海山的兩顆星都被稱為恆星風，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瑪射線的變化，伽瑪射線是比x射線多得多的能量，它來自於伊塔·卡里納伊方向的一個光源。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核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）太空望遠鏡。

核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）太空望遠鏡發射於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。船底座海山二的低能量或軟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，核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）太空望遠鏡探測到的一個源發出的x射線超過30000 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。

在這張來自美國宇航局錢德拉x射線天文台的圖片中，「埃塔卡瑞納伊」用x射線照射。顏色表示不同的能量。紅色代表300到1000電子伏特(eV)，綠色代表1000到3000電子伏特，藍色代表3000到10000電子伏特。相比之下，可見光的能量約為2 ~ 3ev。NuSTAR觀測(綠色輪廓)揭示了一個x射線源，其能量比錢德拉探測到的能量高出三倍。從中心點光源觀測到的x射線來自雙星的恆星風碰撞。核星探測顯示，風碰撞帶中的激波使電子和質子等帶電粒子加速到接近光速。其中一些可能到達地球，在那裡它們將被探測為宇宙射線粒子。1840年埃塔·卡里納伊著名的火山爆發，噴發出的碎片散射出的x射線可能會產生更大範圍的紅色輻射。圖片：NASA/CXC and NASA/JPL-Caltech

研究小組發表在《自然天文學》(Nature aeronautics)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。

核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）太空望遠鏡的首席研究員、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：船底座海山二周圍的區域是高能x射線和伽瑪射線的高能發射源，但直到核光譜望遠鏡陣列（NuSTAR）太空望遠鏡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。

博科園-科學科普｜參考期刊：Nature aeronautics｜來自：美國宇航局的戈達德太空飛行中心

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