科学家最近发现了地球上观测到的能量水平最高的电子和正电子。这一发现提供了对释放巨大能量的宇宙现象的见解，尽管这些能量的确切来源仍不确定。
宇宙中充满了极端条件，从极其寒冷的温度到极高能量的环境。这些条件使得超新星残骸、脉冲星和活跃的星系核等非凡实体能够发射带电粒子和伽马射线，其能量远远超过恒星内部核聚变产生的能量。
我们在地球上检测到的伽马射线提供了有关这些源的重要信息，因为它们可以在太空中不受阻碍地传播。然而，带电粒子，通常称为宇宙射线，情况更为复杂。这些粒子始终受到宇宙中存在的磁场的影响，并从各个方向到达地球。此外，当它们穿越空间时，与光和磁场相互作用会导致能量损失。这种能量损失在被称为宇宙射线电子（CRe）的高能电子和正电子中尤为显著，其能量可以超过一太电子伏特（TeV）——这个能量水平是可见光的1000亿倍。
由于其特性，追踪这些带电粒子的来源是具有挑战性的，但它们在地球上的检测表明，附近存在强大的宇宙射线粒子加速器。然而，识别能量在数太电子伏特范围内的电子和正电子是相当困难的。基于空间的探测工具，其探测面积仅约一平方米，难以收集足够的这些粒子，因为随着能量的增加，它们变得越来越稀少。相对而言，通过观察宇宙射线在地球大气中产生的粒子雨来探测宇宙射线的地面仪器，面临着区分由宇宙射线电子（或正电子）和由较重的宇宙射线质子和核产生的更频繁的粒子雨的挑战。位于纳米比亚的H.E.S.S.天文台利用五个大型望远镜来探测和记录进入地球大气的带电粒子和光子产生的微弱切伦科夫辐射，在它们的后面形成粒子雨。虽然该天文台的主要目标是检测伽马射线以研究其来源，但收集的数据也可以用于识别宇宙射线电子。
在一项广泛的分析中，H.E.S.S.合作的科学家们对这些粒子的来源获得了新的见解。这些天体物理学家认真分析了来自四个12米望远镜十年积累的大量数据集，应用先进的选择算法，使他们能够高效地从背景噪声中提取宇宙射线电子。这种开创性的方法生成了一个无与伦比的统计数据集，用于研究宇宙射线电子。值得注意的是，研究人员成功获取了甚至在最高能量范围内的宇宙射线电子的数据，高达40 TeV。这个突破使他们能够观察到这些宇宙射线电子的能量分布出现了明显变化。
“这一发现意义重大，因为它表明测量到的宇宙射线电子很可能来自离我们太阳系不超过几千光年的几个源，这个距离与我们银河系的尺度相比相对较小，”来自波茨坦大学的首席作者Kathrin Egberts表示。
“这项全面的分析使我们首次能够对这些宇宙电子的来源设定严格的限制，”来自马克斯·普朗克核物理研究所的共同作者Hofmann教授补充道。“在高TeV能量下，极低的通量使得太空任务无法与这一测量竞争。因此，我们的发现不仅提供了在一个重要且之前未探索的能量范围内的关键数据，增强了我们对局部宇宙环境的理解，而且还可能作为未来几年的参考点，”来自CNRS的Laboratoire Leprince-Ringuet的研究员Mathieu de Naurois补充道。
脚注：
- 1 TeV等于1012电子伏特。
- 高能伽马射线只能从地面观察到，这是由于一种独特的现象。当伽马射线撞击大气时，它与原子和分子发生碰撞，产生新的粒子，这些粒子像雪崩一样向地面级联。这些粒子发出持续时间为十亿分之一秒的短暂闪光（切伦科夫辐射），可以使用大型的专用地面望远镜进行检测。H.E.S.S.天文台位于纳米比亚的科马斯高地，海拔1835米，于2002年开始运行，由五个望远镜组成。四个直径为12米的镜面望远镜位于一个正方形的四个角上，中间有一个更大的28米望远镜。这种配置使得该天文台能够探测到从几个十亿电子伏特（GeV，109电子伏特）到几个十太电子伏特（TeV，1012电子伏特）的宇宙伽马射线。作为参考，可见光的光子携带的能量水平为2到3电子伏特。H.E.S.S.目前是监测南天高能伽马射线的唯一仪器，也是同类中最大和最灵敏的望远镜系统。
