宇宙射線引發(fā)的新思考

苗千

看似空空蕩蕩的宇宙空間絕非太平無事，來自各處的光子和帶電粒子游蕩其中。

地球在宇宙中運(yùn)行，其實(shí)無時(shí)無刻不在經(jīng)受著高能伽馬射線和宇宙射線的轟擊，這些高能光子和帶電粒子以各種能量從各個(gè)方向撞擊著地球的大氣層。人類已經(jīng)探測(cè)到其中一些粒子所具有的能量甚至達(dá)到目前地球上高能粒子對(duì)撞機(jī)內(nèi)粒子可以達(dá)到的最高能量的上百萬倍。這種不間斷的來自宇宙深處對(duì)于地球的轟擊，起源于何處、會(huì)對(duì)地球造成什么樣的影響，又可能怎樣幫助人類認(rèn)識(shí)宇宙，至今仍不清楚。

人類在20世紀(jì)70年代起就觀測(cè)到了伽馬射線爆發(fā)，這種高能宇宙現(xiàn)象發(fā)生的機(jī)理和細(xì)節(jié)至今仍然困擾著宇宙學(xué)家們。對(duì)于這種發(fā)生在動(dòng)輒數(shù)十億光年之外的劇烈的宇宙現(xiàn)象，目前人們只能通過建立模型進(jìn)行模擬。伽馬射線爆發(fā)隨機(jī)出現(xiàn)在天空中，平均每天都會(huì)被觀測(cè)到一次，這些劇烈的爆發(fā)在幾秒鐘之內(nèi)釋放出的能量就可以相當(dāng)于太陽在上百億年間所釋放的能量的總和。宇宙學(xué)家們猜測(cè)伽馬射線爆發(fā)主要發(fā)生在巨大的恒星被自己重力壓垮發(fā)生爆炸最終形成黑洞，或者是兩個(gè)致密的天體相撞合并這類劇烈的宇宙學(xué)過程中。目前模擬這種過程最為流行的模型被稱為“火球模型”，這個(gè)模型預(yù)測(cè)在爆發(fā)過程中的恒星會(huì)釋放出一個(gè)圓錐形的等離子體層，并影響之后的爆炸過程。

來自以色列理工學(xué)院的物理學(xué)家阿農(nóng)·達(dá)爾（Arnon Dar）最近在網(wǎng)上發(fā)表論文《對(duì)伽馬射線爆發(fā)理論的關(guān)鍵驗(yàn)證》（Critical Test of Gamma Ray Burst Theories），提出了一個(gè)新的伽馬射線爆發(fā)模型，被稱為“炮彈模型”，在這個(gè)模型中，達(dá)爾認(rèn)為在爆發(fā)過程中，輻射是從一個(gè)球面而不是圓錐中產(chǎn)生，其中的帶電粒子被即將死亡的恒星的電磁場所加速，這個(gè)方式類似于人類使用的圓形粒子加速器。為了驗(yàn)證，達(dá)爾把這兩個(gè)伽馬射線爆發(fā)模型應(yīng)用到2013年4月人類觀測(cè)到的一次罕見的長時(shí)間伽馬射線爆發(fā)上，這個(gè)被命名為“GRB 130427A”的來自于獅子座方向的伽馬射線爆發(fā)創(chuàng)紀(jì)錄地持續(xù)了20個(gè)小時(shí)。達(dá)爾認(rèn)為，與觀測(cè)結(jié)果相對(duì)照之后，炮彈模型更符合實(shí)際情況。

這兩個(gè)模型哪一個(gè)更接近實(shí)際，還需要進(jìn)一步把它們應(yīng)用到更多的伽馬射線爆發(fā)事件中，進(jìn)行長期的比較。而相比于這樣的理論探討，來自于銀河系內(nèi)部的宇宙射線則帶給宇宙學(xué)家更多的迷惑。

宇宙射線由帶電的高能粒子組成，雖然地球的大氣層時(shí)刻受到宇宙射線的撞擊，想要探測(cè)出它們的來處卻絕不容易。這些帶電粒子在宇宙中運(yùn)行時(shí)，并不是按照直線運(yùn)行，它們的方向非常容易受到宇宙中電磁場的影響，另一方面，這些高能粒子在到達(dá)地球時(shí)，會(huì)首先與地球的大氣層分子相撞，這樣的撞擊會(huì)產(chǎn)生出各種各樣的其他粒子，因此，宇宙學(xué)家們?cè)诘厍虮砻嫔线M(jìn)行探測(cè)，只能探測(cè)到宇宙射線與大氣層分子撞擊之后的產(chǎn)物，更加不容易推斷它們的來歷。

大多數(shù)宇宙射線來自于銀河系內(nèi)部。根據(jù)宇宙學(xué)家們的模型推斷，銀河系內(nèi)部的宇宙射線主要產(chǎn)生于超新星的爆發(fā)，它們的能量也大多來自于爆發(fā)時(shí)產(chǎn)生的推動(dòng)力。但是新問題在于，根據(jù)觀測(cè)的結(jié)果顯示，超新星爆發(fā)的能量遠(yuǎn)不足以把一些帶電粒子加速到如此高的能量，那么，究竟是什么在賦予這些帶電粒子超高能量？這些粒子已經(jīng)突破了目前人類超新星模型的范疇，宇宙學(xué)家們只能在銀河系中尋找新的粒子加速器。

德國馬克斯-普朗克研究所的核物理學(xué)家維爾納·霍夫曼（Werner Hofmann）為了研究高能宇宙射線的能量來源，使用了位于納米比亞的由五個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成的陣列，高能立體系統(tǒng)（High Energy Stereoscopic System），研究銀河系中的宇宙射線?？茖W(xué)家們利用高能立體系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了銀河系中超過80個(gè)伽馬射線源，但是對(duì)它們的真實(shí)身份卻還沒有全部了解?；舴蚵蜒芯恐攸c(diǎn)放在了一個(gè)特殊的區(qū)域：銀河系的中心。近幾年來，霍夫曼和他的同事們一直在研究來自銀河系中心的宇宙射線，在這個(gè)位置，有一個(gè)極為特殊的天體——利用自身引力維系起整個(gè)銀河系的超巨型黑洞Sagittarius A* 。

2016年3月24日，高能立體系統(tǒng)合作項(xiàng)目在《自然》（Nature）雜志發(fā)表論文《來自銀河系中心對(duì)于PeV質(zhì)子的加速》（Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre）（PeV相當(dāng)于1015電子伏，這個(gè)超高能量相當(dāng)于地球上的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)在對(duì)撞鉛離子時(shí)能達(dá)到的總能量）。高能立體系統(tǒng)主要研究高能伽馬射線，這些高能量的光子很有可能與宇宙射線中具有超高能量的質(zhì)子出自同樣的源頭，發(fā)現(xiàn)伽馬射線的來歷，很有可能也就發(fā)現(xiàn)了高能質(zhì)子的來歷?；舴蚵J(rèn)為，雖然目前仍然沒有太多線索說明為宇宙射線加速的機(jī)制，但是其方向指向了銀河系的中心，非常接近居于銀河系中心的超巨型黑洞。那么，超巨型黑洞Sagittarius A* 在加速宇宙射線的過程中起到了怎樣的作用？

答案在未來。伽馬射線無法穿透地球的大氣層，它在到達(dá)地球大氣層時(shí)會(huì)與大氣層內(nèi)的粒子發(fā)生相互作用，并且把能量傳遞給大氣層內(nèi)的粒子。當(dāng)大氣層中的原子核接收到能量，以接近光速的速度運(yùn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生切倫科夫輻射，發(fā)出藍(lán)光，這種輻射現(xiàn)象有可能被地面上的望遠(yuǎn)鏡捕捉到，進(jìn)而計(jì)算出伽馬射線的入射方向和能量大小，如果被多個(gè)望遠(yuǎn)鏡同時(shí)觀測(cè)到，則可以定位發(fā)生切倫科夫輻射的具體位置。切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（Cherenkov Telescope Array）是下一代探測(cè)伽馬射線源的希望，它在全世界各地將有超過100個(gè)望遠(yuǎn)鏡組成陣列探測(cè)大氣中的切倫科夫輻射，進(jìn)而探索銀河系中心區(qū)域的高能伽馬射線的來源——究竟是來自一個(gè)點(diǎn)（黑洞），還是在超巨型黑洞附近的一個(gè)區(qū)域？

（本文寫作參考了《科學(xué)》雜志）

超新星爆發(fā)想象圖