探测到有史以来能量最高的宇宙线电子|伽马射线|宇宙线电子|粒子|脉冲星|银河系

在宇宙中，一些极端天体，如超新星遗迹、脉冲星、活动星系核，能够发射出能量极高的宇宙线和伽马射线，其能量之高，远远超过了恒星核聚变等热过程所能达到的能量。

伽马射线可以不受干扰地穿过空间，因此科学家可以通过在地球上探测这些伽马射线，直接获取有关其源头的丰富信息。然而，研究宇宙线则复杂得多，因为它们在穿越宇宙时会被无处不在的磁场偏转，然后从各个方向各向同性地抵达地球。这使得科学家无法直接追溯宇宙线的来源。

此外，当宇宙线与光和磁场相互作用时，会损失一些能量，而这种能量损失对于那些能量最高的电子和正电子（电子的反粒子）尤其显著。宇宙线中的电子和正电子被称为宇宙线电子（CRe），能量超过1TeV（1TeV = 10¹²eV，比可见光的能量强1万亿倍）。

在一项新发表于《物理评论快报》的研究中，来自高能立体视野望远镜阵（H.E.S.S.）合作组的科学家在这一领域取得了重大突破：他们探测到了能量高达40TeV的宇宙线电子，并首次缩小了这些宇宙线电子的来源范围。

捕捉宇宙线电子

虽然宇宙线电子的数量远少于宇宙线中的质子和其他原子核，但它们可以为我们了解发生在银河系中的高能过程提供重要见解。

然而，探测几TeV的宇宙线电子是极为困难的。探测面积约一平方米的天基天文台往往无法捕捉到足够数量的此类粒子。地基天文台则可以通过宇宙线在地球大气中产生的粒子簇射，来对它们来进行间接探测。但地基天文台面临的挑战是如何识别出哪些簇射由宇宙线电子所引发的，哪些是由更重的宇宙线质子和原子核引发的。

H.E.S.S.位于纳米比亚的霍马斯高地。它由五台望远镜组成——四台12米的望远镜位于一个正方形的四个角，另一台28米的望远镜位于中心。它可以探测范围从几GeV（1GeV = 10⁹eV）到几十TeV的宇宙伽马射线。

H.E.S.S.是目前唯一能观测南方天空的高能伽马光的设备，也是同类望远镜系统中最大、最灵敏的。（图/H.E.S.S合作组）

虽然H.E.S.S.是一个主要用于探测和筛选伽马辐射并测量其来源的天文台，但由它所收集的数据也可用于搜索宇宙线电子。

在新的研究中，合作组的科学家分析了十多年来，由四个H.E.S.S.望远镜收集的大量数据集。他们改进了粒子识别技术，使用了一种新颖而严谨的选择算法，为宇宙线电子的分析提供了高质量的统计数据集。

H.E.S.S.捕捉高能宇宙线电子产生的粒子簇射。（图/MPIK/H.E.S.S. 合作组）

能谱中的扭折

利用这些数据，研究人员绘制了一个宽泛的宇宙线电子能谱，其中能量最高的宇宙线电子高达40TeV。相比之下，过去对宇宙线电子的探测能量都低于5TeV。在这个能谱中，研究人员在1 TeV左右的位置发现了一个明显的扭折。在这个扭折之前和之后，能谱都遵循幂律。具体来说，幂律指数分别约为3.25和4.49。