LHAASO 觀測 LS I +61° 303 雙星系統發射逾 100 TeV 伽馬射線

多年來，科學家一直尋找銀河系中最具能量的粒子來源，即宇宙射線，這些射線攜帶的能量遠超人類製造的加速器所能達到。現在，大高空空氣簇射觀測站（LHAASO）的觀測結果揭示，一個雙星系統將粒子推過關鍵能量障礙。該系統 LS I +61° 303 被發現發射超過 100 太電子伏特（TeV）的伽馬射線，牢牢將其歸類為超高能來源。相比之下，這超過大型強子對撞機（Large Hadron Collider）單個質子攜帶能量的 15 倍以上，後者最高約為每個質子 6.

5 TeV。這是首次確認伽馬射線雙星系統發出如此極端輻射，表明這些系統可作為 PeVatron，將粒子加速至拍電子伏特（PeV）能量。「在本研究中，我們報告首次明確探測到來自伽馬射線雙星 LS I +61° 303 的超高能（UHE）範圍伽馬射線發射，使用 LHAASO 觀測，」研究作者指出。簡單來說，一對恆星展示了理論並未明確預測的粒子加速水平。

閱讀粒子足跡而非光線

捕捉如此極端現象並非簡單指向天空。這些能量的伽馬射線不會直接到達探測器——它們與地球大氣碰撞，引發粒子級聯，即空氣簇射。LHAASO 專為捕捉這些簇射而建。透過追蹤這些次級粒子如何擴散並到達地面，科學家可反推估計入射伽馬射線的能量和來源。此方法讓研究人員遠超先前對 LS I +61° 303 的測量，後者僅追蹤至約 10 TeV。憑藉 LHAASO 的靈敏度，團隊將觀測光譜延伸至近 200 TeV，清楚辨識超過 100 TeV 閾值的信號。

此躍進改變了系統分類，有效將其升級為超高能發射體。「這些結果為 LS I +61° 303 中的極端粒子加速提供了強有力證據，」研究作者指出。 該系統 LS I +61° 303 遠非穩定。一顆大質量恆星與一緊密天體——可能為中子星或黑洞——每 26.5 日繞行一次，不斷重塑周圍環境。研究人員發現，伽馬射線輸出不僅起伏——隨著軌道進展，它在不同能量下變化不同。

此能量相關變異指向加速環境的轉變。磁場強度、粒子密度和碰撞區等條件隨恆星移動而演化，意味驅動伽馬射線的引擎從未處於穩態。此變異性也有助辨識相關粒子。在如此強烈磁場中，電子迅速損失能量，難以達到超高能。因此，超過 100 TeV 的伽馬射線強烈暗示質子或更重粒子在運作。「我們辨識出 16 個類似光子的 100 TeV 以上事件，對比估計 5.1 個背景事件，」研究作者表示。

這些粒子可傳播更遠，與稠密恆星風碰撞，透過高能交互產生伽馬射線。這使伽馬射線雙星系統有別於超新星殘骸等更熟悉候選者，後者加速過程相對穩定。此處，能量輸出貌似與軌道運動相連，使系統更動態且難以預測。 最高能宇宙射線來源逾世紀未解，部分因無單一來源類型完全解釋觀測。此結果增添新競爭者。它顯示伽馬射線雙星不僅高能——可達作為 PeVatron 所需的極端條件。我們「結果提供了前所未有對超高能範圍的探取，並為伽馬射線雙星中粒子加速性質提供新約束，」研究作者表示。

同時，此發現複雜化現有模型。對軌道相位的強依賴暗示粒子加速可在短時標內切換模式或效率。這比穩態、一次性事件如超新星爆炸更難建模。仍存不確定性。驅動加速的確切機制未釐清。雖伽馬射線指向強子過程，但直接確認需額外信號，如中微子。後續步驟或聚焦結合不同信使觀測，包括伽馬射線、宇宙射線和中微子，以建構這些系統內部更清晰圖像。該研究刊登於《Physical Review Letters》。