密歇根州立大學天體物理學家的新工作可能有助於解決一個困擾了一個多世紀的科學問題：銀河宇宙射線從何而來？
宇宙射線——以接近光速運動的高能粒子——已知來自銀河系內部和宇宙更遠的地方。然而，自 1912 年發現以來，它們的確切起源仍不清楚。密歇根州立大學物理和天文學助理教授張旭和她的研究小組進行了兩項研究，為這些粒子可能形成的位置提供了新線索。最近在阿拉斯加州安克雷奇舉行的美國天文學會第 246 屆會議上分享了這一結果。
這些快速移動的粒子可能是在極端環境中產生的，例如黑洞、恆星形成區域或爆炸恆星的殘餘物。此類事件能夠產生中微子，中微子是一種微小的、幾乎無質量的粒子，不斷穿過太空和地球。
“宇宙射線對地球上的生命來說比你想像的更重要，”張說。 “每秒大約有 100 萬億個來自黑洞等遙遠來源的宇宙中微子穿過你的身體。你不想知道它們來自哪裡嗎？”
探索自然界最極端的粒子加速器
產生宇宙射線的源的威力足以將質子或電子推進到遠遠超出最先進的人類粒子加速器所能達到的能量。張的團隊致力於了解這些被稱為 PeVatrons 的天然加速器，以確定它們是什麼、它們存在於哪裡，以及它們如何將粒子提升到如此非凡的能量。深入了解這些過程也可能有助於科學家解決有關星系形成和暗物質性質的更廣泛問題。
PeVatron 候選者的 X 射線研究的新見解
在他們最近的出版物中，張和她的學生調查了 PeVatron 候選者，其來源尚未確定。在第一項研究中，博士後研究員斯蒂芬·迪克比（Stephen Dickerby）檢查了大型高空空氣簇射天文台（LHAASO）發現的令人費解的高能量源。儘管 LHAASO 已經發現了源頭，但其真實性質仍然未知。迪克比利用 XMM-牛頓太空望遠鏡的 X 射線觀測結果，確定了脈衝星的風星雲——一個充滿高能電子和粒子的膨脹區域，這些電子和粒子從脈衝星接收能量。這一發現證實了該過濾器是脈衝星風星雲類型的宇宙射線源。只有少數 PeVatron 被這樣分類。
學生主導的額外 LHAASO 資源反饋
第二項研究是由密歇根州立大學的學生 Ella Ware、Amiri Walker 和 Shan Karim 進行的。他們使用 NASA 的 Swift X 射線望遠鏡檢查了來自幾個研究較少的 LHAASO 宇宙射線源的 X 射線信號。通過計算 X 射線發射的上限，他們的結果可能有助於指導未來對類似物體的研究。
張說：“通過對宇宙線源進行識別和分類，我們希望我們的努力能夠提供一個全面且分類的宇宙線源目錄。” “這可以作為未來中微子觀測站和傳統望遠鏡的遺產，以對粒子加速機制進行更深入的研究。”
結合中微子、X 射線和伽馬射線觀測
張的團隊隨後將結合冰立方中微子觀測站的數據與 X 射線和伽馬射線望遠鏡的結果來檢查宇宙射線的來源。他們的目標是了解為什麼一些宇宙射線源發射中微子而另一些則不發射中微子，並確定這些中微子的產生地點和方式。
“這項工作需要粒子物理學家和天文學家之間的合作，”張說。 “對於密歇根州立大學高能物理小組來說，這是一個理想的項目。”
這項研究得到了美國宇航局多項觀測撥款和國家科學基金會的 IceCube 分析撥款的支持。
