宇宙射线引发的新思考

苗千

看似空空荡荡的宇宙空间绝非太平无事，来自各处的光子和带电粒子游荡其中。

地球在宇宙中运行，其实无时无刻不在经受着高能伽马射线和宇宙射线的轰击，这些高能光子和带电粒子以各种能量从各个方向撞击着地球的大气层。人类已经探测到其中一些粒子所具有的能量甚至达到目前地球上高能粒子对撞机内粒子可以达到的最高能量的上百万倍。这种不间断的来自宇宙深处对于地球的轰击，起源于何处、会对地球造成什么样的影响，又可能怎样帮助人类认识宇宙，至今仍不清楚。

人类在20世纪70年代起就观测到了伽马射线爆发，这种高能宇宙现象发生的机理和细节至今仍然困扰着宇宙学家们。对于这种发生在动辄数十亿光年之外的剧烈的宇宙现象，目前人们只能通过建立模型进行模拟。伽马射线爆发随机出现在天空中，平均每天都会被观测到一次，这些剧烈的爆发在几秒钟之内释放出的能量就可以相当于太阳在上百亿年间所释放的能量的总和。宇宙学家们猜测伽马射线爆发主要发生在巨大的恒星被自己重力压垮发生爆炸最终形成黑洞，或者是两个致密的天体相撞合并这类剧烈的宇宙学过程中。目前模拟这种过程最为流行的模型被称为“火球模型”，这个模型预测在爆发过程中的恒星会释放出一个圆锥形的等离子体层，并影响之后的爆炸过程。

来自以色列理工学院的物理学家阿农·达尔（Arnon Dar）最近在网上发表论文《对伽马射线爆发理论的关键验证》（Critical Test of Gamma Ray Burst Theories），提出了一个新的伽马射线爆发模型，被称为“炮弹模型”，在这个模型中，达尔认为在爆发过程中，辐射是从一个球面而不是圆锥中产生，其中的带电粒子被即将死亡的恒星的电磁场所加速，这个方式类似于人类使用的圆形粒子加速器。为了验证，达尔把这两个伽马射线爆发模型应用到2013年4月人类观测到的一次罕见的长时间伽马射线爆发上，这个被命名为“GRB 130427A”的来自于狮子座方向的伽马射线爆发创纪录地持续了20个小时。达尔认为，与观测结果相对照之后，炮弹模型更符合实际情况。

这两个模型哪一个更接近实际，还需要进一步把它们应用到更多的伽马射线爆发事件中，进行长期的比较。而相比于这样的理论探讨，来自于银河系内部的宇宙射线则带给宇宙学家更多的迷惑。

宇宙射线由带电的高能粒子组成，虽然地球的大气层时刻受到宇宙射线的撞击，想要探测出它们的来处却绝不容易。这些带电粒子在宇宙中运行时，并不是按照直线运行，它们的方向非常容易受到宇宙中电磁场的影响，另一方面，这些高能粒子在到达地球时，会首先与地球的大气层分子相撞，这样的撞击会产生出各种各样的其他粒子，因此，宇宙学家们在地球表面上进行探测，只能探测到宇宙射线与大气层分子撞击之后的产物，更加不容易推断它们的来历。

大多数宇宙射线来自于银河系内部。根据宇宙学家们的模型推断，银河系内部的宇宙射线主要产生于超新星的爆发，它们的能量也大多来自于爆发时产生的推动力。但是新问题在于，根据观测的结果显示，超新星爆发的能量远不足以把一些带电粒子加速到如此高的能量，那么，究竟是什么在赋予这些带电粒子超高能量？这些粒子已经突破了目前人类超新星模型的范畴，宇宙学家们只能在银河系中寻找新的粒子加速器。

德国马克斯-普朗克研究所的核物理学家维尔纳·霍夫曼（Werner Hofmann）为了研究高能宇宙射线的能量来源，使用了位于纳米比亚的由五个望远镜组成的阵列，高能立体系统（High Energy Stereoscopic System），研究银河系中的宇宙射线。科学家们利用高能立体系统已经发现了银河系中超过80个伽马射线源，但是对它们的真实身份却还没有全部了解。霍夫曼把研究重点放在了一个特殊的区域：银河系的中心。近几年来，霍夫曼和他的同事们一直在研究来自银河系中心的宇宙射线，在这个位置，有一个极为特殊的天体——利用自身引力维系起整个银河系的超巨型黑洞Sagittarius A* 。

2016年3月24日，高能立体系统合作项目在《自然》（Nature）杂志发表论文《来自银河系中心对于PeV质子的加速》（Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre）（PeV相当于1015电子伏，这个超高能量相当于地球上的大型强子对撞机在对撞铅离子时能达到的总能量）。高能立体系统主要研究高能伽马射线，这些高能量的光子很有可能与宇宙射线中具有超高能量的质子出自同样的源头，发现伽马射线的来历，很有可能也就发现了高能质子的来历。霍夫曼认为，虽然目前仍然没有太多线索说明为宇宙射线加速的机制，但是其方向指向了银河系的中心，非常接近居于银河系中心的超巨型黑洞。那么，超巨型黑洞Sagittarius A* 在加速宇宙射线的过程中起到了怎样的作用？

答案在未来。伽马射线无法穿透地球的大气层，它在到达地球大气层时会与大气层内的粒子发生相互作用，并且把能量传递给大气层内的粒子。当大气层中的原子核接收到能量，以接近光速的速度运动，就会产生切伦科夫辐射，发出蓝光，这种辐射现象有可能被地面上的望远镜捕捉到，进而计算出伽马射线的入射方向和能量大小，如果被多个望远镜同时观测到，则可以定位发生切伦科夫辐射的具体位置。切伦科夫望远镜阵列（Cherenkov Telescope Array）是下一代探测伽马射线源的希望，它在全世界各地将有超过100个望远镜组成阵列探测大气中的切伦科夫辐射，进而探索银河系中心区域的高能伽马射线的来源——究竟是来自一个点（黑洞），还是在超巨型黑洞附近的一个区域？

（本文写作参考了《科学》杂志）

超新星爆发想象图