研究人员发现了迄今为止观测到的来自太阳的能量最高的光，即伽马射线，它比之前预期的要亮。这一发现来自六年的数据，挑战了之前的理解，并提出了关于太阳过程和磁场的问题。

有时候，隐藏秘密的最佳地点就是光天化日之下。问问太阳就知道了。

“太阳比我们所知道的更令人惊讶，”密歇根州立大学博士后研究助理梅尔·恩·尼萨(Mehr Un Nisa)说。“我们以为我们已经找到了这颗恒星，但事实并非如此。”

即将加入密歇根州立大学的Nisa是《物理评论快报》杂志上一篇新论文的通讯作者，该论文详细介绍了从太阳观测到的最高能量光的发现。

这一发现背后的国际团队还发现，这种被称为伽马射线的光非常明亮。也就是说，它比科学家之前预期的要多。

像空中预警机一样监视

尽管高能光没有到达地球表面，但这些伽马射线产生的信号被Nisa和她在高海拔切伦科夫水天文台(HAWC)工作的同事探测到。

由国家科学基金会和国家人文科学技术委员会资助的HAWC是这个故事的重要组成部分。与其他天文台不同的是，它全天候工作。

“我们现在的观测技术在几年前是不可能的，”在自然科学学院物理与天文系工作的Nisa说。

“在这种特殊的能量状态下，其他地面望远镜无法看到太阳，因为它们只在晚上工作，”她说。“我们的全天候运营。”

除了工作方式与传统望远镜不同之外，HAWC看起来与传统望远镜也有很大不同。

HAWC使用的不是一个装有玻璃透镜的管道，而是一个由300个大型水箱组成的网络，每个水箱装满了大约200公吨的水。该网络坐落在墨西哥两座休眠火山之间，海拔超过13000英尺。

从这个有利位置，它可以观察到伽马射线撞击大气后的后果。这样的碰撞产生了所谓的空气阵雨，它有点像肉眼无法察觉的粒子爆炸。

原始伽马射线的能量被释放并重新分配到由低能量粒子和光组成的新碎片中。正是这些粒子——以及它们在下落过程中产生的新粒子——是HAWC可以“看到”的。

当淋浴粒子与HAWC水箱中的水相互作用时，它们会产生所谓的切伦科夫辐射，可以用天文台的仪器检测到。

Nisa和她的同事从2015年开始收集数据。2021年，该团队积累了足够的数据，开始对太阳的伽马射线进行充分的检查。

Nisa说:“在研究了六年的数据之后，这些过量的伽马射线突然出现了。”“当我们第一次看到它时，我们就想，‘我们肯定把它搞砸了。太阳在这种能量下不可能这么亮。’”

创造历史

太阳发出的光跨越了一系列的能量，但有些能量比其他的更丰富。

例如，通过核反应，太阳提供了大量的可见光，也就是我们看到的光。这种形式的光携带的能量约为1电子伏特，这是一个方便的物理测量单位。

Nisa和她的同事观察到的伽马射线大约有1万亿电子伏特，或1特拉电子伏特，缩写为1 TeV。不仅这种能量水平令人惊讶，而且他们看到了如此多的能量也令人惊讶。

在20世纪90年代，科学家们预测，当高能宇宙射线——由黑洞或超新星等宇宙发电站加速的粒子——撞击太阳中的质子时，太阳就会产生伽马射线。但是，基于对宇宙射线和太阳的了解，研究人员还假设很少看到这些伽马射线到达地球。

不过，当时还没有能够探测到如此高能伽马射线的仪器，而且在一段时间内也不会有。2011年，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜首次观测到能量超过10亿电子伏特的伽马射线。

在接下来的几年里，费米任务表明，这些射线不仅能量非常大，而且比科学家最初预期的要多出大约七倍。似乎还有更高能量的伽马射线有待发现。

当望远镜发射到太空时，它的探测器的大小和功能是有限的。费米望远镜测量到的太阳伽马射线的峰值约为2000亿电子伏特。

由俄亥俄州立大学教授约翰·比科姆和安妮卡·彼得领导的理论学家们鼓励HAWC合作研究这个问题。

“他们推了推我们，说，‘我们没有看到经济衰退。你也许能看到一些东西，”妮莎说。

HAWC合作包括北美、欧洲和亚洲的30多家机构，这篇新论文的近100位作者代表了相当大的一部分。其中包括另外三位斯帕坦人:研究生丹尼尔·萨拉扎尔-加莱戈斯、名誉教授詹姆斯·林内曼和密歇根州立大学研究生院副院长、物理学和天文学教授克尔斯滕·托勒夫森。

Nisa说，现在，该团队第一次证明了太阳光线的能量扩展到TeV范围，高达近10 TeV，这似乎是最大的。

目前，这一发现带来的问题多于答案。尼萨说，太阳科学家现在将绞尽脑汁，弄清楚这些伽马射线究竟是如何获得如此高能量的，以及太阳磁场在这种现象中扮演了什么角色。

然而，当涉及到宇宙时，这是令人兴奋的一部分。它告诉我们，在我们如何理解离我们最近、最亲爱的恒星的问题上，有些地方错了，有些地方缺失了，或者两者兼而有之。

尼萨说:“这表明，HAWC正在增加我们对银河系最高能量的认识，它开启了关于我们自己的太阳的问题。”“它让我们从不同的角度看待事物。真的。”

参考文献:“利用HAWC发现静止太阳的伽马射线”，A. Albert et al. (HAWC合作)，2023年8月3日，物理评论快报。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.131.051201