一顆脈衝星(左上的方塊內)發出一條長達40萬億英里的物質帶(從左上至右下),裏面不僅有正物質,還有不少反物質。右圖為脈衝星的放大圖。(NASA/CXC/Stanford Univ./M. de Vries; Optical: NSF/AURA/Gemini Consortium)
一顆脈衝星(左上的方塊內)發出一條長達40萬億英里的物質帶(從左上至右下),裏面不僅有正物質,還有不少反物質。右圖為脈衝星的放大圖。(NASA/CXC/Stanford Univ./M. de Vries; Optical: NSF/AURA/Gemini Consortium)

脈衝星(Pulsa)是恆星死亡後的殘骸,高速旋轉、並具有很強的磁場。最近,天文學家觀測到一顆脈衝星發出一條長達40萬億英里(40⨯1012)的物質帶,更奇特的是,裏面不僅有正物質,還有不少反物質(即正電子)。

並不是所有的脈衝星都在發出如此大量正電子,因此這顆脈衝星很奇特。它所發出的物質帶的規模相當大,科學家認為也許可以作為銀河系中為甚麼有大量正電子存在的一種可能解釋。正電子是普通電子的反物質,電子帶負電荷,正電子帶正電荷。

天文學家最早在2020年發現這顆脈衝星發出的物質帶,但是當時並不知道它究竟有多長,因為它的長度超出了錢德拉X射線觀測台(Chandra X-ray Observatory)當時觀測的範圍。結合2021年2月和11月新一批的觀測數據,科學家終於確定了它的全長。

從地球上看,它在天空中的跨度相當於半個月球那麼寬,是至今為止在地球上觀測到的最長的一條由單個脈衝星發出的物質帶。

這項研究的負責人史丹福大學的馬丁·德弗裏斯(Martijn de Vries)說:「一顆直徑只有10英里的脈衝星所發出的物質竟然形成這麼大的一個結構,這相當令人震驚。兩者的大小比例是甚麼概念呢?如果把這條物質帶比作紐約到洛杉磯的距離,那麼這顆脈衝星只有人眼能看到的最小物質的百分之一這麼大。」

這顆脈衝星代號PSR J2030+4415,距離地球大約1,600光年,大約每秒鐘自轉三圈,比屋頂常見的風扇轉得更快一些。

研究人員認為,這項發現更重要的意義在於,為銀河系中反物質的來源提供了新的線索。反物質與普通物質多數屬性都是一樣的,只不過帶相反的電荷。比如普通的電子帶負電荷,電子的反物質就帶有正電荷。

科學家觀測到這個宇宙中普通物質佔絕大多數,反物質只有很少量。可是奇怪的是,從地球上探測到的情況來看,正電子的數量比其它反物質多得多。科學家覺得這很奇怪,是甚麼事件會特別產生這種反物質?

科學家認為這份研究找到了一個可能的原因。脈衝星結合自轉快和磁場強的特點,導致粒子被加速、產生帶有正、負電子對的高能射線。愛因斯坦提出的能量公式E = mc2,人們所熟悉的理解是,這描述了物質質量會轉化為多少能量。其實反過來看也是成立的規律:能量也可以轉化成物質。

這顆脈衝星在特殊的條件下,就在向宇宙中發出大量正電子。這份研究提出的解釋是,脈衝星產生的大量帶電粒子風通常受限於脈衝星自身強大的磁場。這顆脈衝星在太空中以百萬英里的時速運動著,這個過程使得它發出的帶電粒子風像尾流一樣尾隨其後。而在脈衝星的前方有一道弓形氣體衝擊波,類似船在水中開動的時候前方的弓形水波。

可是大約在二三十年前,這道弓形氣體衝擊波突然停止了運動,脈衝星趕上了它。研究者認為,這導致脈衝星自身的磁場和「幾乎是從左至右呈直線的方向」的星際磁場相遇,從而發生相互作用。

「很可能就是此時激發了粒子洩漏。」合作研究者之一羅傑·羅曼尼(Roger Romani)說,「脈衝星的磁場與星際磁場連接了起來,形成一個噴嘴一樣的通道,高能電子和正電子就從這個通道被噴射而出。」

研究稱,這些粒子沿著星際磁場的磁力線方向、以接近三分之一光速的速度運動,發出了X射線。這個過程形成了錢德拉X射線觀測台所觀測到的巨大的物質帶結構。

以前,天文學家觀測到脈衝星周圍存在伽馬射線,這意味著正電子並沒有洩漏到太空之中。然而這次發現的這顆脈衝星PSR J2030+4415情況不一樣,說明脈衝星產生的反物質粒子也會洩漏到太空中,並最終抵達地球。

這份研究3月10日發表於《天體物理學期刊》(The Astrophysical Journal)。#

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