宇宙射線引發的新思考

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。

地球在宇宙中運行，其實無時無刻不在經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方向撞擊著地球的大氣層。人類已經探測到其中一些粒子所具有的能量甚至達到目前地球上高能粒子對撞機內粒子可以達到的最高能量的上百萬倍。這種不間斷的來自宇宙深處對于地球的轟擊，起源于何處、會對地球造成什么樣的影響，又可能怎樣幫助人類認識宇宙，至今仍不清楚。

人類在20世紀70年代起就觀測到了伽馬射線爆發，這種高能宇宙現象發生的機理和細節至今仍然困擾著宇宙學家們。對于這種發生在動輒數十億光年之外的劇烈的宇宙現象，目前人們只能通過建立模型進行模擬。伽馬射線爆發隨機出現在天空中，平均每天都會被觀測到一次，這些劇烈的爆發在幾秒鐘之內釋放出的能量就可以相當于太陽在上百億年間所釋放的能量的總和。宇宙學家們猜測伽馬射線爆發主要發生在巨大的恒星被自己重力壓垮發生爆炸最終形成黑洞，或者是兩個致密的天體相撞合并這類劇烈的宇宙學過程中。目前模擬這種過程最為流行的模型被稱為“火球模型”，這個模型預測在爆發過程中的恒星會釋放出一個圓錐形的等離子體層，并影響之后的爆炸過程。

來自以色列理工學院的物理學家阿農·達爾（Arnon Dar）最近在網上發表論文《對伽馬射線爆發理論的關鍵驗證》（Critical Test of Gamma Ray Burst Theories），提出了一個新的伽馬射線爆發模型，被稱為“炮彈模型”，在這個模型中，達爾認為在爆發過程中，輻射是從一個球面而不是圓錐中產生，其中的帶電粒子被即將死亡的恒星的電磁場所加速，這個方式類似于人類使用的圓形粒子加速器。為了驗證，達爾把這兩個伽馬射線爆發模型應用到2013年4月人類觀測到的一次罕見的長時間伽馬射線爆發上，這個被命名為“GRB 130427A”的來自于獅子座方向的伽馬射線爆發創紀錄地持續了20個小時。達爾認為，與觀測結果相對照之后，炮彈模型更符合實際情況。

這兩個模型哪一個更接近實際，還需要進一步把它們應用到更多的伽馬射線爆發事件中，進行長期的比較。而相比于這樣的理論探討，來自于銀河系內部的宇宙射線則帶給宇宙學家更多的迷惑。

宇宙射線由帶電的高能粒子組成，雖然地球的大氣層時刻受到宇宙射線的撞擊，想要探測出它們的來處卻絕不容易。這些帶電粒子在宇宙中運行時，并不是按照直線運行，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地球時，會首先與地球的大氣層分子相撞，這樣的撞擊會產生出各種各樣的其他粒子，因此，宇宙學家們在地球表面上進行探測，只能探測到宇宙射線與大氣層分子撞擊之后的產物，更加不容易推斷它們的來歷。

大多數宇宙射線來自于銀河系內部。根據宇宙學家們的模型推斷，銀河系內部的宇宙射線主要產生于超新星的爆發，它們的能量也大多來自于爆發時產生的推動力。但是新問題在于，根據觀測的結果顯示，超新星爆發的能量遠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？這些粒子已經突破了目前人類超新星模型的范疇，宇宙學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望遠鏡組成的陣列，高能立體系統（High Energy Stereoscopic System），研究銀河系中的宇宙射線。科學家們利用高能立體系統已經發現了銀河系中超過80個伽馬射線源，但是對它們的真實身份卻還沒有全部了解。霍夫曼把研究重點放在了一個特殊的區域：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，在這個位置，有一個極為特殊的天體——利用自身引力維系起整個銀河系的超巨型黑洞Sagittarius A* 。

2016年3月24日，高能立體系統合作項目在《自然》（Nature）雜志發表論文《來自銀河系中心對于PeV質子的加速》（Acceleration of petaelectronvolt protons in the Galactic Centre）（PeV相當于1015電子伏，這個超高能量相當于地球上的大型強子對撞機在對撞鉛離子時能達到的總能量）。高能立體系統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子出自同樣的源頭，發現伽馬射線的來歷，很有可能也就發現了高能質子的來歷。霍夫曼認為，雖然目前仍然沒有太多線索說明為宇宙射線加速的機制，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，它在到達地球大氣層時會與大氣層內的粒子發生相互作用，并且把能量傳遞給大氣層內的粒子。當大氣層中的原子核接收到能量，以接近光速的速度運動，就會產生切倫科夫輻射，發出藍光，這種輻射現象有可能被地面上的望遠鏡捕捉到，進而計算出伽馬射線的入射方向和能量大小，如果被多個望遠鏡同時觀測到，則可以定位發生切倫科夫輻射的具體位置。切倫科夫望遠鏡陣列（Cherenkov Telescope Array）是下一代探測伽馬射線源的希望，它在全世界各地將有超過100個望遠鏡組成陣列探測大氣中的切倫科夫輻射，進而探索銀河系中心區域的高能伽馬射線的來源——究竟是來自一個點（黑洞），還是在超巨型黑洞附近的一個區域？

（本文寫作參考了《科學》雜志）

超新星爆發想象圖