怪不得星空那麼黑,宇宙中的很多光子,還沒到達地球就消失了!

為什麼其他星系的很多光子沒有到達地球?包括伊曼紐爾·康德·波羅的海聯邦大學(IKBFU)物理和數學科學與資訊科技研究所副教授Andrey Savelyev在內的一個國際科學家小組,改進了一個計算機程式,該程式有助於模擬光子與星際空間中溢位氫相互作用時的行為,其研究成果發表在《皇家天文學會月刊》上。在宇宙中,有像“耀變體”這樣的銀河系外物體,它們能產生強大的伽馬射線流,來自這條伽馬射線流中光子的一部分直接到達地球。

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而另一部分在途中轉化為電子,然後再轉化為光子,然後才到達我們這裡。這裡的問題是,數學計算表明一定數量的光子應該到達地球,但實際上它要少得多。科學家們今天對為什麼會發生這種情況有兩種解釋:第一種是光子在轉換成電子之後(這是眾所周知的,與中性光子、帶電粒子形成對比)落入磁場,偏離其路徑,即使在再次轉換成光子之後也不會到達地球。第二個種解釋了飛向我們地球的粒子行為,不是透過它們與電磁場的相互作用,而是透過接觸星際空間中“溢位”的氫。

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許多人認為太空是完全空的,星系之間什麼也沒有。事實上,等離子體狀態下存在大量的氫,換句話說,就是非常濃的氫。本研究是關於粒子如何與等離子體相互作用的,有一個特殊的計算機程式可以計算星際空間中粒子行為的模型。研究人員透過與等離子體相互作用事件發展的幾個可能選項,改進了這個程式。不幸的是,目前還不可能從經驗上驗證這些計算,因為人們還沒有學會如何在地球上創造極端的空間條件,但副教授安德烈·薩維利耶夫(Andrey Savelyev)相信:

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總有一天這會在某種程度上成為可能。值得注意的是,儘管這些研究結果是所謂的“純科學”,但它們在理論上可以在未來應用於實踐,這一點很重要。等離子態,是物質的第四種狀態(除了氣態、液態和固態之外),而且研究起來非常困難。與此同時,人類對它寄予厚望,因為它是一種廉價且非常強大的能源。研究對收集等離子體知識做出了小小的貢獻,也許它們將有助於開發有效的核聚變。來自耀變體的相對論噴流,被認為是非常高能量伽馬射線(VHEGR)的來源。

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在星系間空間傳播過程中,伽馬射線與無處不在的宇宙學光子場,如河外背景光(EBL)和宇宙微波背景光(CMB)相互作用,產生電子-正電子對。這些對可以透過逆康普頓(IC)散射將CMB/EBL光子上散射到高能量,從而繼續級聯過程。這通常用於設定星系間磁場(IGMF)的限制。然而,如果等離子體不穩定性(由於對與星系間介質(IGM)的相互作用而產生)冷卻電子/正電子的速度比逆康普頓散射更快,則可能會發生變化。

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因此,對星系間磁場失去的動能,可能導致在低於~100GeV能量下觀察到的伽馬射線譜硬化。新研究了幾種不穩定的型別和模型,並評估了它們對解釋遙遠“耀變體”觀測的影響。研究結果表明,等離子體不穩定性可以描述一些“耀變體”的光譜並模擬星系間磁場效應,這取決於諸如物體的本徵光譜、星系間磁場的密度和溫度以及光束的光度等引數。同時還發現對於基準組引數,等離子體不穩定性對所研究的一些“耀變體”光譜沒有重大影響。

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博科園|研究/來自:伊曼紐爾·康德·波羅的海聯邦大學

參考期刊《皇家天文學會月刊》

DOI: 10。1093/mnras/stz2389

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