在星团中检测到的最高能量的宇宙射线–超越能吞噬整个太阳系的超新星所产生的能量

来自Cocoon地区的24微米红外图，上面覆盖有Spitzers MIPS，上面覆盖有HAWC的伽马射线重要性图（黄绿色到红色表示更高的伽马射线重要性）。地图以Cocoon为中心，沿x和y方向约4.6度。

几十年来，研究人员一直认为，当恒星变成超新星时，宇宙射线会定期从银河的远处轰击地球，这是因为恒星的质量过大而无法支撑其核心发生的聚变并爆炸。

那些巨大的爆炸确实确实以远距离的光速推动了原子粒子。然而，新的研究表明，即使是超新星-能够吞噬整个太阳系-也不足以使粒子充满达到PB电子（PeV）所需的持续能量，PeV为非常高能的宇宙射线所达到的动能。

然而，观察到的宇宙射线正好以这些速度撞击着地球的大气层，例如，在墨西哥普埃布拉附近的高空切伦科夫（HAWC）天文台的探测水箱上就标出了它们的通过。研究人员认为，像天鹅座茧这样的恒星团充当了PeVatrons（PeV加速器），而不是超新星，它们能够以如此高的能量速率在银河系中移动粒子。

他们的范式转换研究为恒星形成区域成为PeVatrons提供了令人信服的证据，并发表在最近的两篇论文自然天文学和天体物理学期刊快报上。

物理研究的一个特点是协作性。这项研究是由密歇根理工大学物理学教授Petra Huentemeyer，以及刚毕业的Binita Hona '20，博士生Dezhi Huang，前MTU博士后Henrike Fleischhack（现就职于天主教大学/ NASA GSFC / CRESST II），Sabrina Casanova进行的。以及位于克拉科夫的波兰科学院核物理研究所，威斯康星大学的Ke Fang和斯坦福大学的Roger Blanford，以及HAWC天文台的许多其他合作者。

Huentemeyer指出，HAWC和其他机构的物理学家已经测量了来自各个方向和数十年能量的宇宙射线。在追踪具有最高已知能量PeVs的宇宙射线时，其起源变得如此重要。

Huentemeyer说：“据信，低于PeV能量的宇宙射线来自我们的银河系，但问题是什么能产生它们呢？

弗莱施哈克说，研究人员发现的范式转变是，在此之前，科学家们认为超新星残余是宇宙射线的主要加速器。

她说：“它们确实会加速宇宙射线，但它们无法获得最高能量。”

那么，是什么促使宇宙射线加速到PeV能量呢？

“还有其他暗示星团可能是故事的一部分，”弗莱施哈克说。“现在，我们得到了他们能够发挥最大能量的确认。”

恒星团是由超新星事件的残余物形成的。它们被称为恒星摇篮，其中包含猛烈的风和旋涡状的碎片云，例如天鹅座OB2和星团[BDS2003] 8中的研究人员指出的那些。在内部，数百种聚集在大约30帕秒（108光年）的区域中的数百种聚集了几种类型的大质量恒星，分别是光谱O型和B型恒星。

霍纳说：“光谱类型的O星是最大的。”“当他们的风相互影响时，就会形成冲击波，这就是加速发生的地方。”

研究人员的理论模型表明，HAWC看到的高能伽马射线光子更有可能由质子产生，而不是由电子产生。

方说：“我们将使用NASA望远镜搜索这些相对论粒子在较低能量下的对应辐射。”

宇宙射线到达我们星球的能量非常高。需要特定的条件才能将粒子加速到这样的速度。

能量越高，限制粒子越困难-从芝加哥和瑞士地球上的粒子加速器中收集的知识。为了防止微粒起雾，需要磁性。

恒星簇-由风和新生但强大的恒星混合而成-是具有不同磁场的湍流区域，可以为粒子继续加速提供必要的限制。

“超新星残余物具有非常快的冲击力，可以加速宇宙射线的照射；但是，它们没有长禁闭区的类型，”卡萨诺瓦说。“这就是星团有用的地方。它们是恒星的组合，可以产生扰动，限制宇宙射线，并有可能使冲击加速它们。”

但是，如何在距地球5,000光年的银河系尺度上测量原子间的相互作用呢？研究人员使用HAWC检测罐进行了1,343天的测量。

Huang解释了HAWC的物理学家如何通过测量宇宙射线在银河加速点产生的伽玛射线来追踪宇宙射线：“我们没有直接测量伽玛射线；我们测量了产生的二次射线。当伽马射线与大气相互作用时，它们会在粒子喷淋中产生次级粒子。”

Huang说：“在HAWC上检测到粒子阵雨时，我们可以测量阵雨和次级粒子的电荷。”“我们使用粒子电荷和时间信息来从原始伽马重建信息。”

除了HAWC之外，研究人员还计划与南部广域伽玛射线天文台（SWGO）合作，该天文台目前正处于规划阶段，该天文台将配备像HAWC这样的Cherenkov光探测器，但将位于南半球。

Huentemeyer说：“看到我们在南半球看到的东西会很有趣。”“我们将拥有北半球所没有的银河系中心的美景。SWGO可以为我们提供更多有关星团的候选人。”

未来跨半球的合作有望帮助世界各地的科学家继续探索宇宙射线的起源，并进一步了解银河系本身。

参考：AU Abeysekara，A。Albert，R。Alfaro，C。Alvarez，JR Angeles Camacho，JCArteaga-Velázquez，KP Arunbabu，D。Avila撰写的“ HAWC观测了天鹅座茧中超高能宇宙射线的加速” Rojas，HA Ayala Solares，V.Baghmanyan，E.Belmont-Moreno，SY BenZvi，R.Blandford，C.Brisbois，KS Caballero-Mora，T.Capistrán，A.Carramiñana，S.Casanova，U.Cotti，S。 CoutiñodeLeón，E.De la Fuente，R.Diaz Hernandez，BL Dingus，MA DuVernois，M.Durocher，JCDíaz-Vélez，RW Ellsworth，K.Engel，C.Espinoza，KL Fan，K.Fang，H。 Fleischhack，N.Fraija，A.Galván-Gámez，D.Garcia，JAGarcía-González，F.Garfias，G.Giacinti，MMGonzález，JA Goodman，JP Harding，S.Hernandez，J.Hinton，B.Hona， D. Huang，F.Hueyotl-Zahuantitla，P.Hüntemeyer，A.Iriarte，A.Jardin-Blicq，V.Joshi，D.Kieda，A.Lara，WH Lee，H.LeónVargas，JT Linnemann，AL Longinotti，路易斯·拉亚（G. Luis-Raya），伦迪（J.Lundeen），马龙（K.Malone），马丁内斯（O.Martinez），马丁内斯·卡斯特兰（I.Martinez-Castellan） os，J。Martínez-Castro，JA Matthews，P。Miranda-Romagnoli，JA Morales-Soto，E.Moreno，M。Mostafá，A.Nayerhoda，L.Nellen，M.Newbold，MU Nisa，R.Noriega-Papaqui ，L。Olivera-Nieto，N。Omodei，A。Peisker，Y。PérezAraujo，例如EGPérez-Pérez，Z。Ren，CD Rho，D。Rosa-González，E。Ruiz-Velasco，H。Salazar，F。 Salesa Greus，A.Sandoval，M.Schneider，H.Schoorlemmer，F.Serna，AJ Smith，RW Springer，P.Surajbali，K.Tollefson，I。托雷斯，R.Torres-Escobedo，F.Ureña-Mena，T Weisgarber，F.Werner，E.Wilox，A.Zepeda，H.Zhou，C.DeLeón和JDÁlvarez，2021年3月11日，自然天文学.DOI：
10.1038 / s41550-021-01318-y

资金：国家科学基金会（NSF），美国能源部科学办公室，洛斯阿拉莫斯国家实验室的LDRD计划，墨西哥CONACyT，墨西哥科学中心