天文學家探測百年一遇的伽馬射線！

科學家們發現了一些驚人的東西，在距地球約5000光年的銀河系中一些質量最大、最明亮的恆星群中，天文學家發現，當一顆快速旋轉的中子星經過一顆質量最大的恆星時，它正在加速，而這顆中子星每50年才繞軌道運行一次。特拉華大學天體物理學家傑米·霍爾德(Jamie Holder)和博士生泰勒·威廉姆森(Tyler Williamson)表示：這一發現極為罕見，他們是記錄這一發現的國際團隊的成員。霍爾德把這對引力相連的偏心恆星稱為「伽馬射線雙星系統」，並把這一百年一遇的事件比作哈雷彗星的到來或去年美國的日食。是銀河系中最明亮的恆星之一，中子星是密度極高的高能恆星，當大質量恆星爆炸時產生。

博科園-科學科普：這個雙星系統是一個巨大的恆星繞其旋轉的中子星，在我們銀河系的1000億顆恆星中，只有不到10顆是。即使只有很少的兩個系統，包括這個系統，已知有一顆被識別的中子星，或脈衝星，它能發射科學家可以測量的無線電波脈衝。這一點很重要，因為它非常準確地告訴天文學家，有多少能量可以用來加速粒子，而科學家對此知之甚少。UD的物理和天文系教授Holder說：你不能要求一個更好的自然實驗室來研究粒子加速在一個不斷變化的環境中——能量遠遠超過我們在地球上能產生的任何東西。

UD教授Jamie Holder(左)和博士生Tyler Williamson在位於亞利桑那州Amado的Fred Lawrence Whipple天文台的VERITAS望遠鏡的幫助下，一直在研究伽馬射線。圖片：University of Delaware

該項目由霍爾德和威廉姆森等科學家組成的團隊領導，他們在亞利桑那州弗雷德勞倫斯惠普爾天文台(Fred Lawrence Whipple Observatory)使用VERITAS望遠鏡陣列，與西班牙加那利群島(Canary Islands)拉帕爾馬(La Palma)羅克德洛斯馬科斯天文台(Roque de los Muchachos Observatory)使用魔法望遠鏡進行合作(VERITAS是高能輻射成像望遠鏡陣列系統的縮寫，MAGIC是主要大氣伽馬成像切倫科夫望遠鏡的縮寫)，其研究發表在《天體物理學》上。對許多人來說，自然問題是，為什麼科學家關心加速粒子？

因為銀河系充滿他們，我們稱為宇宙射線，它們攜帶的能量與所有恆星發出的光一樣多。天文學家在100多年前發現了加速粒子的存在，然而這些粒子的速度是如何或在哪裡，仍然是個謎。脈衝星是宇宙中最極端的天體之一，它們周圍的磁場比科學家們希望在地球上建立的任何東西都強幾百萬倍。當脈衝星遇到靠近大質量恆星的塵埃或氣體時，附近的粒子會加速到接近光速的速度，並與周圍的物體相撞，結果是一束高能光稱為伽馬輻射或伽馬射線。像VERITAS和MAGIC這樣的精密的望遠鏡，可以探測到這些伽馬射線，因為它們到達地球大氣層時會發出藍光。當我們的眼睛看不到這些閃光的時太快了，只有幾納秒長，但這些望遠鏡可以。

2008年天文學家第一次在這對不同尋常的恆星中發現了來自脈衝星的伽馬射線。這顆脈衝星大約有特拉華州紐瓦克那麼大，就像廚房攪拌機上的附件一樣在旋轉，每次旋轉都會釋放出一些伽馬射線和無線電波的脈衝。通過測量這些無線電脈衝頻率，天文學家能夠判斷脈衝星的移動速度，準確地計算出離這顆巨大的恆星最靠近的恆星是什麼時候，它是在軌道上運行的。2017年這趟旅行花了50年。2016年9月VERITAS和MAGIC teams開始監測夜空並跟蹤脈衝星的軌道。一開始，他們甚至不確定他們是否能看到任何東西。但在2017年9月，天文學家們開始發現，撞擊地球大氣層頂部的伽馬射線數量迅速增加。

當他們監測來自VERITAS望遠鏡的數據時，Holder和Williamson意識到脈衝星每天都在做著不同的事情。每天早上醒來，檢查並看看是否有新的數據，然後儘可能快地分析它，因為我們看到的伽瑪射線的數量在一兩天內迅速變化。威廉森在2017年11月這顆恆星和脈衝星之間的最近一次近距離接觸中注意到，VERITAS望遠鏡在夜間記錄到的伽馬射線數量是幾天前探測到的10倍。在把數據發送給我們的合作者之前，反覆檢查了所有的東西，然後我們的一個合作夥伴，加州大學洛杉磯分校的Ralph Bird證實了他得到了同樣的結果，這是令人興奮的。更有趣的是，這些觀測數據與預測模型的預測結果不符。

一般來說，現有的模型預測，當脈衝星接近它所環繞的大質量恆星時，產生的伽馬射線的數量會慢慢加速，經歷一些波動，然後隨著時間的推移慢慢衰減。但記錄顯示伽馬射線的數量急劇上升，這告訴我們需要修正粒子加速發生的模型。更重要的是，雖然天體物理學家希望美國國家航空航天局(NASA)的費米伽馬射線太空望遠鏡能夠記錄這些伽馬射線，但它沒有。原因尚不清楚，但這是使VERITAS的結果如此有趣的部分原因。天體物理學家想要了解的只是哪些粒子正在加速，以及是什麼過程把它們推到這些極端的速度，以便更多地了解宇宙。

UD博士生Tyler Williamson站在VERITAS望遠鏡接入平台上，圖片：University of Delaware

雖然伽馬射線雙星系統可能不會加速銀河系中的大部分粒子，但它們可以讓科學家研究產生這些粒子的加速機制。直到2067年，當兩顆恆星再次靠近時，天文學家才能再次看到這個雙星系統的運行。那時威廉姆森開玩笑說，他可能只是一個有時間的退休教授。威廉姆森並不擔心沒有事情可做。今年早些時候，他在總部位於亞利桑那州的天文台工作了三個月，進行測量、硬體維護，並設計了一個遙控裝置，讓研究人員可以從控制室的電腦上打開望遠鏡的攝像頭。

這是一個很好的機會，可以親自動手操作望遠鏡，了解儀器。展望未來，他將利用剩餘的博士研究時間，更詳細地梳理和分析VERITAS望遠鏡在2016年和2017年收集的近175小時的數據。毫無疑問，泰勒是我見過的最幸運的研究生，因為這個50年才發生一次的事件（十年來我們用望遠鏡看到的最激動人心的事情之一）正好發生在他博士工作的中途。

博科園-科學科普｜參考期刊文獻:《天體物理學》

研究/來自：特拉華大學

DOI: 10.3847/2041-8213/aad053

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