天鹅座中心地带发现产星工厂“宇宙线之茧”

伤我心太深

在2等星天鹅座Gamma附近，有一片名为天鹅座X的恒星形成区，它在20世纪50年代的弥漫射电源巡天中被发现并命名。现在使用NASA费米伽玛射线太空望远镜数据进行的研究发现，天鹅座X中恒星生死的喧嚣成功束缚住了名为宇宙线的高速粒子。

费米LAT探测到的伽玛射线辐射填充了天鹅座X中质量最大的恒星塑造的炽热气体泡。这些恒星产生的湍流和激波让高能宇宙线很难穿过这片区域。当粒子轰击气体原子核或者星光中的光子时，就会产生伽玛射线辐射。

宇宙线是亚原子粒子，主要由质子组成，以接近光速的速度在宇宙空间运动。在穿越星系的旅途中，粒子被磁场偏折，这使得它们的轨迹被搅乱，追踪粒子的源头也成了不可能的任务。

而当宇宙线与星际气体碰撞的时候，会产生伽玛射线辐射，这是能量最高、穿透力最强的一种光线，从辐射源直线朝我们而来。通过追踪银河系中的伽玛射线信号，费米的大视场望远镜（Large Area Telescope，LAT）正帮助天文学家了解宇宙线的源头及其加速到如此高速的机制。实际上，这正是该任务的关键目标之一。

银河系中最佳的宇宙线加速地点之一就是与超新星爆发相关的快速膨胀电离气体壳以及磁场。对于恒星来说，质量意味着命运，最重的那些O型和B型星寿命很短，年纪轻轻就会死去。

它们的数量也相对较少，原因是如此极端的恒星（质量超过太阳的40倍，表面温度是太阳的8倍）会对周边环境施加重大影响。质量最大的恒星拥有强烈的紫外辐射以及名为星风的剧烈外流，会快速驱散诞生地的气体云，很自然地，任何地方的大质量恒星数量都会因此受限。

天鹅座X拥有很多年轻的恒星群，其中包括OB2与OB9星协，还有NGC 6910星团。这一区域大量大质量恒星的星风以及紫外辐射联合在一起，将气体从星团中驱逐出去，产生了炽热的低密度气体空穴。在这张8微米波长的红外照片中，致密气体脊标志着空穴的边界。气体脊中的亮点表明了今天恒星形成。

让我们回到天鹅座X。这座产星工厂位于4500光年以外，据信拥有足以产生200万个类太阳恒星的原始物质。在其之内有大量年轻的星团以及数个蔓延开来的相关O型和B型星群，后者名为OB星协。其中一个名为天鹅座OB2的星协拥有65颗O型星，也就是质量最大、光度最强、温度最高的那类恒星，此外还有将近500颗B型星。

天文学家估计，整个星协的恒星质量是太阳的3万倍，这使得天鹅座OB2成为6500光年以内最大的一个星协。它的年龄不足500万年，其中质量最大的几颗恒星已经耗尽了它们的燃料，并作为超新星爆发。

天鹅座OB2以及邻近若干星协和星团中大型恒星的强烈辐射和气体外流已经挖空了周边的大量气体。恒星处在充斥着炽热稀薄气体的空穴中，周围包围着低温致密气体脊，恒星在脊中诞生。根据11月25日发表在《科学》杂志上的相关论文，费米的LAT在空穴区探测到了强烈的伽玛射线辐射。

来自帕多瓦（Padova）大学以及意大利国家核物理研究所的物理学家、论文合作者路易吉·蒂巴尔多（Luigi Tibaldo）说：“我们看到的是年轻的宇宙线，其能量可以与地球上最为强大的粒子加速器产物比拟。它们刚刚开始星系之旅，从加速地迂回离开，在撞击到空穴中的气体或星光时会产生伽玛射线辐射。”

伽玛射线辐射的能量（对于LAT来说，上限是1000亿电子伏特，对于地基伽玛射线探测器来说还要更高）表明了被加速粒子的极端特性。（作为比较，可见光的能量在2到3电子伏特之间。）周边环境通过让其与湍动的磁场纠缠起来，来束缚如此高能宇宙线粒子，湍动磁场的起源是该区域无数大质量恒星星风的结合。

来自法国巴黎巴黎狄德罗大学以及萨克莱（Saclay）原子能委员会的天体物理学家、论文合作者伊莎贝尔·格雷尼尔（Isabelle Grenier）说：“激波在宇宙按摩浴缸中扰动了气体，并扭曲弄乱了磁场，让刚刚离开加速地的年轻宇宙线粒子继续被束缚在乱流中，直到它们可以泄露到更为宁静的星际空间中，在那里它们可以更自由地奔跑。”

著名的天鹅座Gamma超新星遗迹（以邻近恒星命名）同样位于此区域。天文学家估计，它的年龄是7000年左右。费米小组认为，天鹅座X“茧”中束缚的宇宙线可能是在超新星遗迹中孕育的，但是他们还提出了另一种可能的图景，认为粒子是在茧内强烈星风产生的激波反复相互作用中被加速的。

蒂巴尔多补充说：“这些粒子会在茧内进一步增加还是损失能量，还有待进一步的探讨。但是它们的存在说明，宇宙线的历史比单纯从源头随机走开的变故更多。”

费米望远镜提供了前所未见的宇宙线早期生涯一瞥，此时距离它们扩散到大尺度星系还有很长时间。天文学家知道，至少有一打如天鹅座OB2一般富饶年轻的星团，这其中包括银心附近的弧状星团以及五重奏星团。在部分这样的星团周围，人们已经发现了高能伽玛射线辐射，因此它们可能也在自己的高能茧中束缚有宇宙线粒子。

NASA的费米望远镜是天体物理学与粒子物理学的联合项目，由马里兰州格林贝尔特（Greenbelt）的NASA戈达德太空飞行中心管理，它是与美国能源部合作开发的，来自法国、德国、意大利、日本、瑞典以及美国的学术机构和合作伙伴对此作出了重要贡献。

lovelingever

伽马射线真是邪恶...