距离地球几千光年以内的一颗脉冲星可以将电子和正电子加速到h.e.s.s.天文台现在测量到的极端能量
纳米比亚h.e.s.s.合作的五台望远镜被用来研究宇宙辐射，特别是伽马辐射。根据10年的观测数据，研究人员现在已经能够探测到宇宙电子和正电子，其能量前所未有地超过10太电子伏（1 TeV相当于10^12电子伏）。由于带电粒子被我们宇宙附近的磁场向各个方向偏转，所以很难确定它们的起源。然而，这一次，测量到的粒子能谱的卓越质量达到了最高的能值，开辟了新的可能性：科学家们怀疑，一颗脉冲星可能是几千光年之外的源头。
H.E.S.S.天文台位于纳米比亚的Khomas高地，海拔1835米，低于南部天空。
?Sabine Gloaguen
H.E.S.S.天文台位于纳米比亚的Khomas高地，海拔1835米，低于南部天空。?Sabine Gloaguen
宇宙拥有极端的环境，从最冷的温度到最高的能量源。极端天体，如超新星遗迹、脉冲星或活动星系核，会产生带电粒子和伽马辐射，其能量远远超过恒星核聚变等热过程所能达到的能量。
当发射的伽马射线不受干扰地穿过空间时，带电粒子——或宇宙射线——被宇宙中无处不在的磁场偏转，从各个方向各向同性地到达地球。这意味着研究人员无法直接推断出辐射的来源。此外，带电粒子通过与光和磁场的相互作用失去能量。这些损失对于能量最高的电子和正电子（带正电的电子反粒子）来说尤其强烈，它们的能量高于万亿电子伏特。当地球上的仪器测量如此高能量的带电宇宙粒子时，这意味着它们不可能走得很远。这表明在我们的太阳系附近存在强大的天然粒子加速器。
测量宇宙电子和正电子的能谱。红色圆圈表示由H.E.S.S测量的数据。暗红色的带对应于数据的破幂律，其中带的宽度对应于测量的统计误差。浅蓝色的波段表示实际粒子光谱的估计范围，考虑到其他粒子的污染以及统计和系统误差。
?H.E.S.S.-Kollaboration
测量宇宙电子和正电子的能谱。红色圆圈表示由H.E.S.S测量的数据。暗红色的带子对应
NDS对破幂律拟合数据，其中
与频带的宽度相对应
NDS为测量的统计误差。浅蓝色波段表示考虑co的实际粒子光谱的估计范围
其他颗粒的污染以及统计和系统误差。?H.E.S.S.-Kollaboration
在一项新的分析中，来自H.E.S.S.合作项目的科学家首次缩小了这些宇宙粒子的来源范围。分析的起点是宇宙射线光谱的测量，即测量到的电子和正电子的能量分布。该分析基于10年的观测，保证了数据的高质量。集成的电子能谱延伸到几十太电子伏特。海德堡马克斯普朗克核物理研究所的Werner Hofmann说：“我们的测量不仅提供了一个关键的、以前未开发的能量范围的数据，影响了我们对当地邻居的理解，而且它也可能成为未来几年的基准。”在光谱中，在TeV能量下的误差条相对较小，在1万亿电子伏特左右的一个突出的扭结是引人注目的。在这个断点以上和以下，频谱都遵循幂律，没有任何进一步的异常。
为了找出是哪个天体物理过程将电子加速到如此高的能量，以及扭结的起源是什么，研究人员将这些数据与模型预测进行了比较。候选源是脉冲星，它们是具有强磁场的恒星残骸。一些脉冲星会向周围吹起一股带电粒子风，而这股风的磁激波前沿可能是粒子受到推动的地方。这同样适用于超新星遗迹的激波前沿。计算机模型显示，以这种方式加速的电子以一定的能量分布进入太空。这些模型跟踪电子和正电子在银河系中的运动，并计算它们与银河系中的磁场和光相互作用时能量的变化。在这个过程中，粒子失去了大量的能量，以至于它们原来的能谱被扭曲了。在最后一步，天体物理学家试图将他们的模型与数据相匹配，以便更多地了解天体物理源的性质。
艺术家对旋转脉冲星的印象，它周围的强磁场扭曲着。带电粒子云沿着磁力线移动，它们的伽马射线像灯塔的光一样被磁场照射。
?NASA/戈达德太空飞行中心概念图像实验室
艺术家对旋转脉冲星的印象，它周围的强磁场扭曲着。带电粒子云沿着磁力线移动，它们的伽马射线像灯塔的光一样被磁场照射。?NASA/戈达德太空飞行中心公司
概念图像实验室
但是，是什么物体把望远镜测量到的电子扔进了太空呢？能量低于1万亿电子伏特的粒子谱可能由来自不同脉冲星或超新星残骸的电子和正电子组成。然而，在更高的能量下，出现了不同的画面：能谱从大约1太电子伏特急剧下降。这一点也得到了模型的证实，这些模型研究了由天文源加速的粒子以及它们在星系磁场中的扩散。这种在1万亿电子伏特下的转变尤其明显和异常尖锐。波茨坦大学的Kathrin Egberts说：“这是一个重要的结果，因为我们可以得出结论，测量到的电子很可能来自我们太阳系附近的极少数来源，最多只有几千光年远。”与银河系的大小相比，这个距离相对较小。埃格伯特继续说：“不同距离的源会在很大程度上消除这种扭结。”根据Werner Hofmann的说法，即使是一个单一的脉冲星也可能产生高能的电子能谱。然而，目前尚不清楚是哪一种。由于源必须非常近，所以只有少数脉冲星是有问题的。
RH / BEU
H.E.S.S.望远镜阵列捕捉高能宇宙电子和正电子以及伽马射线产生的粒子阵雨的可视化。
?MPIK / H.E.S.S.协作
H.E.S.S.望远镜阵列捕捉高能宇宙电子和正电子以及伽马射线产生的粒子阵雨的可视化。?MPIK / H.E.S.S.协作
数据分析：天体物理学家分析了十多年来由四个H.E.S.S.望远镜收集的大量数据集。他们使用新颖而严格的选择算法来识别具有前所未有的低背景污染的宇宙电子。这为宇宙电子的分析提供了高质量的统计数据集。特别是，研究人员能够测量能量高达40 TeV的电子和正电子。
探测方法：探测高能、带电的宇宙粒子是困难的。探测面积约为一平方米的天基望远镜无法捕捉到足够的稀有粒子。地面仪器使用了一个技巧：当伽马射线或快速带电粒子进入大气层时，它会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冲向地球。在这个粒子级联中，单个粒子产生闪光（切伦科夫辐射），可以用地面上专门的大型望远镜观察到。因此，高能天文学将大气作为一个巨大的探测器。
挑战在于区分电子或正电子产生的级联与更常见的由更重的宇宙核或伽马光子撞击产生的级联。2008年，研究人员首次成功地从切伦科夫望远镜的数据中识别出了电子和正电子信号。
源识别：虽然伽马射线可以直接追溯到源，但这对带电的宇宙粒子是不可能的。它们从不同的方向撞击地球大气层，即使它们都来自同一个来源。这是由于银河系中磁场的偏转。
h.e.s.s. -天文台：h.e.s.s. -天文台位于纳米比亚的Khomas高地，海拔1835米，于2002年开始运作。它由五台望远镜组成：四台12米的望远镜位于正方形的角落，另一台28米的望远镜位于中心。这使得宇宙伽马辐射的范围从几十千兆电子伏特（GeV， 10^9电子伏特）到几十太电子伏特（TeV， 10^12电子伏特）都可以被探测到。作为比较：可见光粒子的能量为2到3电子伏特。H.E.S.S.是目前唯一能观测南方天空高能伽马光的仪器，也是同类望远镜系统中最大、最灵敏的。
虽然h.e.s.s.天文台主要用于探测和选择伽马辐射并测量其来源，但获得的数据也可用于搜索宇宙电子。
