來自銀河系外的消息

苗千

在阿根廷西部的門多薩省，3000平方公里的土地上，分布著1660個粒子探測器，在每一個探測器中都裝有1.2萬升超高純度的水——這就是皮埃爾·奧杰天文臺（Pierre Auger Observatory）的粒子探測裝置。來自18個國家的超過400位天文學(xué)家正是通過這座建于2004年的宇宙射線天文臺，將人類探索的范圍投向銀河系之外。正是在這里，經(jīng)過了十多年的工作之后，人類又發(fā)現(xiàn)了新的未知。

地球無時無刻不受到宇宙射線的轟擊。宇宙射線大多是質(zhì)子或是一些質(zhì)量更重的帶電亞原子粒子，它們的能量各不相同，來源也不盡相同。研究這些宇宙射線的來歷，是人們了解宇宙的一個重要手段。有一些能量相對較低的宇宙射線來自銀河系內(nèi)部，這些帶電粒子大多產(chǎn)生于銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)或是其他天體活動，這些粒子因為會受到銀河系磁場的影響，運(yùn)動軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此當(dāng)它們到達(dá)地球時，會顯得像是來自各個方向。還有另外一些能量極高的宇宙射線，它們的來歷以及形成原因一直困擾著天文學(xué)家。十多年來，在皮埃爾·奧杰天文臺工作的天文學(xué)家們一直希望能夠通過粒子探測解開這個謎題。

奧杰天文臺發(fā)布的宇宙射線想象圖

一些宇宙射線的能量高到令人無法理解的程度。天文學(xué)家探測到的一些帶電粒子的能量甚至可以達(dá)到在地球上最強(qiáng)大的粒子加速器內(nèi)所能達(dá)到的粒子能量的數(shù)百萬倍。皮埃爾·奧杰天文臺的一個重要目標(biāo)就是解開這個謎題。在夜空中，利用特殊的望遠(yuǎn)鏡可能會觀測到一些宇宙射線與地球大氣層中的氮?dú)庠酉嘧菜a(chǎn)生的熒光。另一方面，當(dāng)這些高能粒子到達(dá)地球，與大氣層中的粒子發(fā)生碰撞時，會產(chǎn)生出眾多能量相對較低的粒子。在想象中這些粒子如同陣雨一樣灑落地面，面積可達(dá)數(shù)平方公里。皮埃爾·奧杰天文臺就是通過布置在地面上的眾多粒子探測器，探測這些到達(dá)地面的粒子。

對于能量最強(qiáng)的宇宙射線，尤其是質(zhì)量相對較輕的質(zhì)子，它們的運(yùn)動軌道受到銀河系磁場的影響相對較小。在地面上的粒子探測器陣列接收到來自天空中的粒子信號，同時記錄下接收時間。通過這樣的方式，天文學(xué)家就可以大致計算出這些高能粒子碰撞的方向，希望可以進(jìn)而判斷出它們產(chǎn)生的機(jī)制。有人懷疑，對于具有如此高能量的帶電粒子，最有可能的來源就是銀河系中心的超巨型黑洞，經(jīng)由這個黑洞的巨大引力場對其進(jìn)行加速。但也有人懷疑，這些具有極高能量的帶電粒子來自銀河系之外。早在2007年，皮埃爾·奧杰天文臺的天文學(xué)家們就在《科學(xué)》雜志上發(fā)表過一篇論文《高能量宇宙射線與鄰近銀河系外天體的聯(lián)系》（Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects），論述這些最早于1962年發(fā)現(xiàn)的具有超高能量的宇宙射線可能來自銀河系外的星系。但是這篇論文在學(xué)術(shù)界引發(fā)的反應(yīng)并不一致，有人認(rèn)為這篇論文提供的證據(jù)太過牽強(qiáng)，不能令人信服。

過了10年之后，這個天文臺的科學(xué)家們又一次發(fā)表了他們的研究結(jié)果。2017年9月22日，他們共同在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文《對于大規(guī)模各向異性高于8×1018eV宇宙射線來源方向的觀測》（Observation of a Large-scale Anisotropy in the Arrival Directions of Cosmic Rays Above 8×1018eV）。在這篇論文中，天文學(xué)家們通過大量的數(shù)據(jù)分析，終于用極強(qiáng)的證據(jù)表明：這些能量極高的宇宙射線來自銀河系之外。

皮埃爾·奧杰天文臺的每個探測器之間相距1.5公里。天文學(xué)家們通過這些探測器的探測結(jié)果分析最初發(fā)生碰撞的粒子的方向和能量，他們分析了從2004年到2016年，這12年間所記錄的超高能量的宇宙射線。這段時間之內(nèi)，天文臺總共探測到了32187個能量高于8×1018電子伏的粒子，然后通過統(tǒng)計學(xué)方法判斷它們的來歷。

經(jīng)過計算和分析，天文學(xué)家們證明，這些能量最高的宇宙射線來源的方向并不指向銀河系的中心，而是指向了銀河系外，這說明它們來自于更加遙遠(yuǎn)的河外星系，而這些粒子何以達(dá)到如此之高的能量，原因依然是一個謎。皮埃爾·奧杰天文臺的探測范圍可以覆蓋整個南天球以及大部分的北天球，而天文臺的探測結(jié)果顯示，這些高能量帶電粒子的方向并不平均，而是偏向于某一個固定的方向，這可能與銀河系臨近的河外星系的相對位置有關(guān)。早在2014年9月，來自夏威夷大學(xué)和里昂第一大學(xué)的科學(xué)家們就將包括銀河系在內(nèi)的大約300到500個已知的星系團(tuán)和星系群稱為拉尼亞凱亞超星系團(tuán)（Laniakea）——這個名字在夏威夷語中意為“無盡的天堂”。很可能就是在拉尼亞凱亞超星系團(tuán)中銀河系的某個臨近星系的某種人類尚不知曉的天體活動，制造了這些具有超高能量的亞原子粒子，這些粒子穿越茫茫的星系，穿越星系間幾乎空無一物的宇宙空間，到達(dá)銀河系，最終與地球大氣層的粒子相撞，又被人類探測到。

很多天文學(xué)家早就猜測這些能量極高的粒子來自于銀河系外，此次關(guān)于這些粒子來源的切實證據(jù)可以說讓很多天文學(xué)家松了一口氣，也為這個困擾了天文學(xué)家超過50年的謎團(tuán)做出了初步的解答。雖然還有太多的未知，但這個結(jié)果可以算作人類理解銀河系外星系的第一步。不只是在皮埃爾·奧杰天文臺，主要由日本政府投資，天文學(xué)家們正在擴(kuò)建在美國猶他州沙漠地區(qū)的望遠(yuǎn)鏡陣列（Telescope Array）。擴(kuò)建后的望遠(yuǎn)鏡陣列將由900多個粒子探測器組成，覆蓋面積將達(dá)到2500平方公里。通過升級后的望遠(yuǎn)鏡陣列，天文學(xué)家將可以與皮埃爾·奧杰天文臺共同探測這些宇宙射線的來源。人類進(jìn)行科學(xué)研究，有時發(fā)現(xiàn)問題與解決問題同樣重要。發(fā)現(xiàn)新的未知，往往意味著人類對于宇宙的理解又加深了一步。在這些神秘的高能宇宙射線之中，就隱藏著河外星系的秘密。

（本文寫作參考了《自然》和《科學(xué)》雜志的報道）