星系旋臂中的质子加速器:费米-LAT 助力解开 LHAASO J1912+1014u 的性质之谜

作者: Uliana S

利用 Fermi Gamma-ray Space Telescope 的观測在指向 LHAASO J1912-1014u 的方向发现了伽马射线过量,并证实它是一个质子 Pevatron。

2026年7月中旬,《天体物理学杂志》(The Astrophysical Journal) 发表的一篇文章,使我们更接近于理解银河系中能量最高的宇宙射线是如何产生的。这涉及到天体 LHAASO J1912+1014u——被称为 PeVatrons 的潜在候选者之一,这类天体能够将粒子加速到 PeV(拍电子伏特)的能量级别。

一切始于中国高海拔高原上的 LHAASO 观测站的数据。其探测器从一个弥漫性源记录到了能量高于 100 TeV 的伽马辐射,该源的坐标与已知的 TeV 源 HESS J1912+101 重合。这种超高能量的伽马光子通常在加速的宇宙射线与星际气体原子碰撞时产生。但主要问题仍然存在:是质子还是电子?电子(电子加速)和强子(质子加速)模型在极高能量下会产生相似的伽马谱,但需要不同的条件。

为了弄清楚这一点,由广岛大学的 Tsunefumi Mizuno 领导的一个天文学家团队,查阅了 NASA 的轨道伽马望远镜 Fermi-LAT 的档案。他们分析了 15 年的观测数据,能量范围从 400 MeV 到数百 GeV。标准的银河系弥漫背景模型在数据中留下了明显的残差,因此科学家们创建了一个改进版本。结果,在源的区域出现了一个清晰的辐射过剩,具有硬谱(指数约为 2.1)。它在空间上与 LHAASO/H.E.S.S. 源的位置一致。

关键一步是引入 FUGIN 的高精度数据——一项利用一氧化碳谱线绘制分子云的巡天项目。研究人员构建了两种可能的速度分量(约 25 和 60 km/s)的气体图。这些模式完美地描述了 GeV 辐射过剩,证实了辐射正是由质子与致密云碰撞产生的。

当团队构建了从 GeV 到 TeV 的总谱时,电子模型(电子加速)需要过于苛刻的条件,并且与 X 射线辐射的上限不符。而强子模型——质子加速——则能自然地拟合数据。质子谱指数约为 2.2,根据距离不同,其中包含的总能量估计为 (1–5)×10⁴⁹ 尔格。源附近有一个老化的脉冲星 PSR J1913+1011,它可能为该系统提供能量。

这项工作很好地证明了,通过耐心积累数据和联合分析不同的仪器,可以逐步揭示我们银河系数百万年来运行的机制。LHAASO 继续发现新的 PeVatron 候选者,而类似的研究表明:其中许多很可能依赖于质子运行。我们越来越接近理解自然界在哪里以及如何将粒子加速到甚至我们地球上最强大的加速器都无法企及的能量。

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