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科学家发现创纪录的高能宇宙射线电子但起源仍然难以捉摸的

2025-01-01 12:25阅读：

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科学家发现创纪录的高能宇宙射线电子但起源仍然难以捉摸的
最近的一项测量已经在困惑科学家们同时同时的安顿一个正在进行的科学争论。
HARD SCIENCE — DECEMBER 31, 2024
科学家发现创纪录的高能宇宙射线电子但起源仍然难以捉摸的
Credit: muratart / Adobe Stock
关键要点
由高能质子和电子组成的宇宙射线恒定的轰击地球，有最高能的粒子来自附近的宇宙源。
用12 年的数据，高能立体系统天文台已经探测到能量高达 40 万亿电子伏特的破纪录电子，挑战以前的测量和理论。
虽然这些发现排除暗物质的暗示，但它们揭示一个关于这些电子起源的令人困惑的秘密，这些电子似乎来自附近一个单一的、未识别的来源。
地球正在受到攻击——不是被人类或狂暴的外星人而是被宇宙本身。广大的宇宙力分解氢原子并以接近光速抛它们的成分过宇宙。这些星际弹丸中的一些撞入地球的大气层，允许敏感的探测器来解开它们的秘密。最近的一项测量已经研究了极高能量撞击并在困惑科学家们的同时已经同时安顿了一场正在进行的科学争论。
来自太空的稳定的辐射洪流被称为宇宙射线，它主要由两个成分组成：质子和电子。质子来自原子的中心，而电子被发现在原子的外周内。两者都能被从各种宇宙源加速--从超新星到碰撞的中子星--以及（更常见的）被在外太空中发现的电场和磁场。这些场能将质子和中子推到非常高的速度。
自 1930 年代以来，科学家们已经知道了宇宙射线，这些射线击中大气层，造成在地球表面上检测到的粒子的级联。已经被研究的大多数能量最高的宇宙射线都是质子。这是因为质子比电子更重约 2000 倍，这意味着当一个质子正在走时比一个电子更难偏转。一个更适宜的类比可能是质子像保龄球一样行为，而电子更像乒乓球一样。
因为在两个粒子如何旅行穿过太空中的差异非常高能的电子能被散射并失去它们的能量。这意味着它们不会走很远——至少天文学上这样讲。因此，非常高能量的电子一定已经被在我们的宇宙邻居中创造。

科学家发现创纪录的高能宇宙射线电子但起源仍然难以捉摸的
高能立体系统天文台最近对宇宙射线电子能谱的测量显示令人惊讶的结果。Credit: F. Aharonian et al. (H.E.S.S. Collaboration) [1]; NASA Goddard; adapted by APS.”
高能立体系统天文台（H.E.S.S.）位于纳米比亚。它由四台直径为 12 米的巨型望远镜和一台单独的镜面直径为 28 米的更大望远镜组成。每天晚上它凝视午夜的天空，寻找随宇宙射线击中地球大气层创造的光的闪光。它于 2003 年开始运行并在其间升级。最新的论文基于 2003 年至 2015 年之间 12 年的高能立体系统天文台观测。
高能立体系统天文台训练了他们的分析软件来区分在大气层中被质子和电子留下的闪光的不同特性之间。他们的最近论文集中在电子上。之前的测量已经测量了宇宙射线电子的能量最高可达一万亿电子伏特的能量。（相比之下1990 年代电视中的电子能量更像是10000 电子伏特而最高能量的人造电子束的能量为 0.1 万亿电子伏特）。最近的高能立体系统天文台测量观察到了能量高达 40 万亿电子伏特的电子。
以前的测量已经注意到更低能电子比高能电子更常见，有一个逐渐减少。然而在一个大约 1 万亿电子伏特的能量上，能量急剧的下降掉。这被认为反映旅行非常大距离的很高能电子的困难。这有点像试图穿过雾照射一盏亮光。它只能到如此远。
之前的测量还暗示了一个能量约为 4 万亿电子伏特的不能解释的过量。这种过剩对科学家是令人兴奋的，因为它可能已经是一种叫暗物质的理论形式的物质的签名。暗物质还没有被直接观测到，但被认为比普通原子物质更普遍五倍。半个世纪以来科学家们一直在寻找暗物质的实验确认，而观测到它将是一次真正的政变。
然而，高能立体系统天文台数据比早期的测量更精确，并且它在 一个4 万亿电子伏特上没有显示一个过量的暗示，有效的粉碎那些认为他们终于看到了暗物质的科学家的梦想。
尽管如此由高能立体系统天文台观察到的行为令人困惑。这些高能电子一定已经在相对较近的地方形成——比如说在几千光年内。这个距离比银河系的大小远更小，银河系直径约为 100000 光年。
由银河系记录的数据没有出现已经来自多个来源，而是偏向一个邻近的来源。然而到目前为止数据似乎没有来自任何首选的方向，如果在宇宙邻域中有一颗恒星正在产生高能电子人们会期望的。
这些电子有非常高的能量这一事实意味着其他竞争实验不太适合来看它们。然而，最近的银河系测量仅用了在 2015 年底之前收集的数据。在这之间的几年里高能立体系统天文台一直在运行并改进了电子设备，这提示未来的分析可能能够识别这个附近宇宙电子炮的来源。
https://bigthink.com/hard-science/scientists-detect-record-high-energy-cosmic-ray-ray-electrons-but-origin-remains-elusive/

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