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银河系中心不仅有黑洞,还有宇宙线源?

2021-11-16 08:13

  现代快报讯(记者阿里亚)银河系广阔无垠且神秘莫测,吸引着人类不停地探索它的奥秘。银河系的中心简称为“银心”,是天文学家最感兴趣的“天空实验室”之一。近日,中科院紫金山天文台的研究人员发现了银心的宇宙线新成分以及宇宙线的磁屏蔽效应。相关成果在线发表在《自然通讯》上,引起国际天文学界关注。

  △银心加速宇宙线辐射的伽马射线能谱(左)和推断的宇宙线空间分布幂律谱指数(右)

  神秘的银河系中心,有黑洞和大量暗物质

  人类生活在地球上,地球存在于太阳系中,太阳系围绕着银河系运行。所以说,银河系是十分广阔的。太阳系到底处于银河系的什么方位?可能很多人以为太阳系会在银河系的中心地带,其实不然,太阳系位于银河系的“郊区”。如果从太阳系出发,想要抵达银心大约需要2.5万光年的距离。

  那么,银心是什么样子呢?这个区域和我们所熟悉的宇宙空间大为不同,那里的宇宙空间并没有我们所知的那样空旷。如果从宇宙中观察,会发现银心十分耀眼,要比银河系的其他区域更亮,这是因为在银河系的中心区域聚集了大量的恒星。

  “银心包含有超大质量黑洞、林林总总的天体以及预期存在的大量暗物质等,这使得科学界对银心的研究兴趣长久不衰。”中科院紫金山天文台研究员黄晓渊告诉现代快报记者,银河系的中心长期以来一直是天文学家最为关注的天体实验室之一。

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  △宇宙线在银心附近的能量密度分布。棕线表示宇宙线能量密度在中心分子云中的分布(随着距离银心距离增加而下降);蓝线表示宇宙线海中的宇宙线能量密度(大约是个常数)

  发现银心的宇宙线新成分及磁屏蔽效应

  100多年前,人类发现了一类来自外太空的高能粒子——宇宙线。它是研究众多物理和天文问题如粒子加速、星际介质湍动属性、星际磁场等的重要信使,是我们观察宇宙的重要窗口。宇宙线和星际介质碰撞可以产生伽马射线,因此科学家们通过伽马射线来间接地研究宇宙线的起源和传播等性质。

  伽马射线本质上是一种光,但是肉眼不可见。伽马射线虽然肉眼不可见,但它离我们的日常生活并不遥远。比如地铁站和火车站的安检设备使用的X光机,其实就是利用了能量较低的伽马射线。在浩瀚的宇宙中,天体活动能够产生能量极高的伽马射线,成为天然的宇宙线加速器。

  2016年,H.E.S.S.(高能立体视野系统,是一个位于纳米比亚的大气切连科夫望远镜阵列)通过观测银心附近的弥散伽马射线辐射,发现银心存在持续的宇宙线加速现象,且可以将宇宙线加速到PeV能量,该加速源很可能和银心的超大质量黑洞的活动有关。

  中科院紫金山天文台研究团队利用费米卫星的伽马射线数据,仔细研究了银心附近区域的宇宙线分布。研究结果支持了银心宇宙线源的存在,也说明该宇宙线源可以有效地加速横跨多个能量段的高能粒子。此外,该研究团队还发现在银心附近的中心分子云区域的宇宙线能量密度比分子云外的宇宙线“海”的能量密度更低。

  “这意味着,中心分子云扮演着一个壁垒的角色,有效地阻止了宇宙线‘海’中的高能粒子穿入该区域。”黄晓渊表示,类似的磁屏蔽效应在太阳系中其实早已被观测到,即宇宙线的太阳调制效应。银河系整体也类似于这样一个壁垒,将低能宇宙线“拒之门外”。

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