蟹狀脈衝星探測到理論預期之外的高能伽瑪射線

韓 珂

【正見網2011年10月20日】

據科學日報網2011年10月7日報導,天體物理學家發現從巨蟹座脈衝星發出的伽瑪射線脈衝能量遠遠超出了目前的脈衝星理論模型可以解釋的範圍。

一個國際合作組10月7日在「科學」雜誌上發表文章指出,在亞利桑那州的惠普爾天文台的VERITAS望遠鏡陣列探測到能量超過1000億電子伏特(100 GeV),令人驚訝的伽瑪射線脈衝。 該文章第一作者, 加州大學聖克魯斯分校的博士後研究員內坡穆克.奧特(Nepomuk Otte)說,一些研究人員曾告訴他,他是瘋了,在這能量域觀測脈衝星的輻射。

奧特說:「事實證明,持久和頑強終有收穫。這些結果提出了伽瑪射線輻射產生機制的新約束。」

奧特,蒙特婁麥吉爾大學的安德魯.麥肯(Andrew McCann)和史密松天文台的馬丁(Martin Schroedter) 做了主要的分析研究,其中涉及近100位在VERITAS合作的科學家。 VERITAS發言人加州大學洛杉磯分校物理和天文學教授雷內.昂( Rene Ong)讚揚奧特是建議使用強大的伽馬射線天文台研究蟹狀星雲脈衝星的主要倡導者。

「對我來說,這是一個真正的實驗方法的勝利,不是隨波逐流和假設,只是觀察,看到什麼就有什麼。你瞧,我們看到的東西和大家預期的不同。」昂說。

蟹狀星雲脈衝星是快速旋轉的中子星,1054年壯觀的超新星爆發形成的輝煌的蟹狀星雲,留下的大質量恆星的坍塌核心在其中心形成脈衝星。它是在太空中被研究最深入的對像之一。脈衝星每秒旋轉約30次,有一個強大的同步旋轉的磁場,從中發出輻射。就像一個燈塔燈標,它們不與星體的旋轉軸對齊。因此,儘管輻射是穩定的,它們在地球上被探測到的是快速輻射脈衝。

長期以來,科學家們認為脈衝星輻射是由脈衝星快速旋轉的磁場感應的電磁力加速帶電粒子到接近光速的速度,產生寬光譜的輻射。但具體細節仍是一個謎。

「經過多年從蟹狀星雲脈衝星的觀測結果,我們原以為我們了解它的工作機制,模型預測約100 億電子伏以上的發射光譜將指數衰減,所以發現脈衝伽瑪射線高於1000 億電子伏的能量是真正的驚喜。」合作者加州大學聖克魯斯分校理學副教授大衛.威廉士(David Williams)說。

在此新成果之前,科學家以被稱為曲率輻射的機制來解釋蟹狀星雲脈衝星的脈衝γ-射線輻射。即高能量的帶電粒子沿著一條彎曲的磁場移動時產生的輻射。但根據奧特,這種機制不能解釋超過1000億 電子伏特能量的伽馬射線。

「曲率輻射是占主導地位的傳統解釋,但VERITAS的結果表明,必須有一個不同的機制。」奧特說。 「曲率輻射可以解釋能量較低的輻射,但我們真的不知道是什麼原因導致了非常高能量的輻射。」

VERITAS的觀測開闢了測試愛因斯坦的狹義相對論理論的新途徑,即光速是一個普適常數。調和量子力學和廣義相對論而出現的量子引力理論的預言之一,是光速實際上可能有一個對光子能量的小的依賴。這將違反狹義相對論的核心---「洛倫茲不變性」。在同一時間脈衝星發出的光子有不同能量。如果具有不同能量的光子以不同的速度旅行,效果會表現為不同能量光子在脈衝位置的細微變化。

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