地球周围的反物质来源于何？脉冲星将给我们答案
本帖系轉帖，原帖作者：天文在线久闻伽马射线暴大名，谁知它就来自地球旁边
过去，天文学家曾观测到一颗临近的有着奇怪光晕的脉冲星，它可以用来解释一个困扰天文学家许久的问题。这颗名叫Geminga的脉冲星是距离地球最近的脉冲星之一，它与地球相距约八百光年，位于双子座中。Geminga不仅离地球很近，而且它的伽马射线也非常明亮。
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显然，由于它的波长与γ射线相当，Geminga的光晕本身无法肉眼观测
（它是被美国宇航局的费米γ射线空间望远镜所发现的），但这个光环非常巨大，覆盖了将近四十个满月那么大的天空。这个光晕恰好能解释一些发生在我们周围的奇怪事情：地球附近为什么会有那么多反物质？这些反物质的出现曾困扰了科学家近十年。
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“我们的分析表明，正是这颗脉冲星导致了一个长达十年也解不开的谜题，即为什么地球附近有一种宇宙粒子异常丰富？”任职于华盛顿的美国天主教大学和美国宇航局于马里兰州格林贝尔特的戈达德航天中心的天文学家玛蒂亚迪毛罗（Mattia Di Mauro）如是说，“这些粒子是正电子，电子的反物质版本，它们来自于太阳系外的某个地方。”
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Geminga 的光环与北斗七星的比例显示。 图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心。
脉冲星是大质量恒星变成超新星之后的残留物，而Geminga诞生于30万年前双子座发生的超新星爆发。那是一颗旋转的中子星，以某种方式转向了地球，它的能量就像灯塔扫过的光一样扫过我们。
脉冲星通常由正负电子构成的云所包围。但因为中子星有着强于任何已知物体的强大的电磁场，它会把粒子从超新星的表面拉出，并将其加速到接近光速。
这些包括了电子和它们的反物质对应物，即正电子的高速移动粒子即为宇宙射线。因为宇宙射线带有电荷，所以它们会受到磁场的影响。因此当这些宇宙射线到达地球的时候，天文学家没办法对它们进行准确溯源。
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在过去的十多年中，天文学家们用不同的实验仪器在地球附近观测到了多于预期的大量高能正电子。诸如美国宇航局的费米γ射线空间望远镜，美国宇航局的α磁谱仪和其它实验仪器都捕捉到过它们。科学家们怀疑这些电子来自于包括Geminga在内的临近脉冲星。但由于这些正电子的运动轨迹受到了磁场的影响，直到2017年上述观点也没能被证实。
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就在2017年，高空水切伦科夫伽马射线天文台（HAWC）验证了那些地基观测设备曾经发现的东西：在Geminga周围，有一个体积虽小，强度很大的γ射线光晕。该天文台在光晕结构中检测到高达5 ~ 40 TeV （太电子福特）的能量，这能量是我们眼睛所能看到光的数万亿倍。
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最初，科学家认为这种高能光晕是加速的正负电子与星光碰撞所产生。这样的碰撞会使他们的能量激增并变得非常明亮。带电粒子将部分的能量传递给光子时，这个过程就叫作逆康普顿散射。
因此，有一个团队用HAWC去观测Geminga和它的光晕并得出了一个结论：基于这个光晕的大小，这些正电子不太可能到达地球，所以“地球周围为什么有这么多正电子”这个问题一定还有别的答案。
但研究地球附近正电子存在的科学家们还没有将脉冲星从他们的名单中删除。 作为一颗近在咫尺的明亮脉冲星，Geminga对他们依然有十足的吸引力。
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玛蒂亚迪毛罗（Mattia Di Mauro）领导了一支小队研究了费米大面积望远镜（LAT）十年间观测到的Geminga的数据。LAT观察到的光晕能量比HAWC观测的的低。迪毛罗以一作的身份发表了一篇文章来展示这一发现。这篇文章的标题为“用Fermi-LAT分析Geminga周围的γ射线和正电子通量的影响”，它发表在物理评论（Physics Reviwe）上.
这篇文章的合著者之一是西尔维娅曼科尼（Silvia Manconi），德国亚琛工业大学的博士后研究员。在研究发布的新闻稿中，曼科尼坦言：“为了研究这个光晕，我们必须将所有其他的γ射线源去掉，包括宇宙射线与星际气体云碰撞产生的弥漫光。 我们用了10种不同的星际发射模型来研究数据”。
当团队将所有其它空中的γ射线源去掉，整个数据展现出一个巨大的椭圆形结构，即Geminga周围的光晕。200亿电子福特左右的高能结构覆盖了20度的天空，而较低能量的结构甚至覆盖了更大的区域。
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研究的合著者菲奥伦扎·多纳托（Fiorenza Donato）来自意大利国家核物理研究所和都灵大学。在新闻稿中，多纳托说：“低能量粒子在遇到星光之前会离开脉冲星更远，将部分能量传递给它，并将星光增强为伽马射线。 这就是为什么γ射线在较低能量下会覆盖更大的区域，”多纳托解释说。“此外，Geminga的光晕被拉长了的部分原因是脉冲星在空间中运动。”
该模型展示了随着时间推移，Geminga的光晕的变化。有两个因素在影响光环的形状。一个是脉冲星在空间中的运动，另一个是光晕的能级。光晕的能级越低，γ射线光晕就越大，反之，能级越高就光晕就越小。这是因为低能粒子在与星光相互作用并被提升到γ射线能级之前，会在太空中传播得更远，更加远离脉冲星。
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图片来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心/ M. Di Mauro
该团队比较了LAT的数据和HAWC的数据，发现这两个数据集其实是匹配的。同时，他们还发现，在AMS-02观测到的高能正电子中，有高达20%是来自附近明亮的Geminga。以此类推，对银河系中累积的所有脉冲星喷射物也有类似的结论。由此观之，脉冲星仍然是对原先谜题的最好解释：它们是地球周围所有正电子的来源。
“我们的工作证实了‘研究单一来源以预测它们对宇宙射线的影响’这一方法的重要性，”迪毛罗说。“这只是一个激动人心的新领域（我们称之为“多介子天文学”）的小小侧面，我们在该领域中除了光还使用多种信号（如宇宙射线）来研究宇宙。”
BY: Evan Gough
FY: 樊瑞酱
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