在1万光年范围内亮度最大、质量最大的恒星系统Eta Carinae正在加速宇宙射线

一项新的研究利用美国国家航空航天局(NASA)的NuSTAR太空望远镜的数据表明，在1万光年范围内最明亮、最庞大的恒星系统Eta Carinae正在加速粒子的高能量，其中一些可能会以宇宙射线的形式到达地球。

“我们知道，爆炸恒星的冲击波可以加速宇宙射线粒子的速度，达到与光速相当的速度，这是一种难以置信的能量提升，”美国宇航局戈达德太空飞行中心(Goddard Space Flight Center)天体物理学家滨口健二(Kenji Hamaguchi)说。类似的过程必须发生在其他极端环境中。我们的分析表明，海牛亚科就是其中之一。

天文学家知道，能量超过10亿电子伏(eV)的宇宙射线来自太阳系之外的我们。但因为这些粒子——电子、质子和原子核——都带有电荷，所以它们在遇到磁场时就偏离了方向。这打乱了他们的道路，掩盖了他们的起源。

Eta Carinae位于距地球7500光年的船底座(Carina)南部，因19世纪的一次爆发而出名，短暂地使它成为天空中第二亮的恒星。这一事件还喷射出了一个巨大的沙漏状星云，但喷发的原因仍不清楚。

该系统包含一对大质量恒星，其偏心轨道使它们每5.5年异常接近一次。这些恒星的质量分别是太阳的90倍和30倍，在最近的距离下，它们之间的距离为1.4亿英里(2.25亿公里)——大约是火星和太阳之间的平均距离。

“Eta Carinae的两颗星都被称为恒星风，”团队成员、同样在Goddard工作的Michael Corcoran说。“当这些风在轨道周期中发生碰撞时，就会产生周期信号，这是我们20多年来一直跟踪的低能量x射线。”

美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜也观察到伽马射线的变化——光比x射线的能量要大得多——从一个源头到埃塔卡里亚的方向。但费米的视力并不像x射线望远镜那样锐利，因此天文学家无法证实两者之间的联系。

为了弥补低能量x射线监测和费米观测之间的差距，滨口和他的同事们转向了NuSTAR。NuSTAR发射于2012年，它可以将比以往任何望远镜更大的能量聚焦到x射线上。该研究小组利用最新获取的和存档的数据，研究了2014年3月至2016年6月期间获得的新星观测数据，以及同期欧洲航天局(European Space Agency)的XMM-Newton卫星的低能量x射线观测数据。

Eta Carinae的低能量或软x射线来自碰撞恒星风的交界面，那里的温度超过7000万华氏度(4000万摄氏度)。但是，NuSTAR探测到的一个源发出的x射线超过30,000 eV，大约是碰撞风中的冲击波的三倍。相比之下，可见光的能量在2到3 eV之间。

研究小组在7月2日发表在《自然天文学》(Nature aeronautics)杂志上的一篇论文中进行了分析，结果显示，这些“硬”x射线随双轨道周期的变化而变化，并显示出与费米观测到的伽马射线类似的能量输出模式。

研究人员说，硬x射线和伽玛射线发射的最好解释是，电子在猛烈的激波中沿着碰撞的恒星风的边界加速。核星探测到的x射线和费米探测到的伽玛射线都来自星光，与这些电子相互作用产生了巨大的能量。

一些超高速电子，以及其他加速粒子，必须逃离系统，也许有些最终会漂到地球，在那里它们可能被探测为宇宙射线。

“我们早就知道，Eta Carinae周围的区域是高能x射线和伽玛射线的高能发射源，”NuSTAR的首席研究员、加州帕萨迪纳加州理工学院(Caltech)天文学教授菲奥娜·哈里森(Fiona Harrison)说。“但直到NuSTAR能够精确地定位辐射，显示它来自双星，并详细研究它的性质之前，它的起源一直是个谜。”