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，經過了十多年的工作之后，人類又發現了新的未知。

地球無時無刻不受到宇宙射線的轟擊。宇宙射線大多是質子或是一些質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部，這些帶電粒子大多產生于銀河系內的超新星爆發或是其他天體活動，這些粒子因為會受到銀河系磁場的影響，運動軌跡發生偏轉，因此當它們到達地球時，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家。十多年來，在皮埃爾·奧杰天文臺工作的天文學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。天文學家探測到的一些帶電粒子的能量甚至可以達到在地球上最強大的粒子加速器內所能達到的粒子能量的數百萬倍。皮埃爾·奧杰天文臺的一個重要目標就是解開這個謎題。在夜空中，利用特殊的望遠鏡可能會觀測到一些宇宙射線與地球大氣層中的氮氣原子相撞所產生的熒光。另一方面，當這些高能粒子到達地球，與大氣層中的粒子發生碰撞時，會產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，面積可達數平方公里。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，探測這些到達地面的粒子。

對于能量最強的宇宙射線，尤其是質量相對較輕的質子，它們的運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，希望可以進而判斷出它們產生的機制。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，經由這個黑洞的巨大引力場對其進行加速。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家們就在《科學》雜志上發表過一篇論文《高能量宇宙射線與鄰近銀河系外天體的聯系》（Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects），論述這些最早于1962年發現的具有超高能量的宇宙射線可能來自銀河系外的星系。但是這篇論文在學術界引發的反應并不一致，有人認為這篇論文提供的證據太過牽強，不能令人信服。

過了10年之后，這個天文臺的科學家們又一次發表了他們的研究結果。2017年9月22日，他們共同在《科學》雜志發表論文《對于大規模各向異性高于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，天文學家們通過大量的數據分析，終于用極強的證據表明：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。天文學家們通過這些探測器的探測結果分析最初發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，天文臺總共探測到了32187個能量高于8×1018電子伏的粒子，然后通過統計學方法判斷它們的來歷。

經過計算和分析，天文學家們證明，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的河外星系，而這些粒子何以達到如此之高的能量，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。早在2014年9月，來自夏威夷大學和里昂第一大學的科學家們就將包括銀河系在內的大約300到500個已知的星系團和星系群稱為拉尼亞凱亞超星系團（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。

很多天文學家早就猜測這些能量極高的粒子來自于銀河系外，此次關于這些粒子來源的切實證據可以說讓很多天文學家松了一口氣，也為這個困擾了天文學家超過50年的謎團做出了初步的解答。雖然還有太多的未知，但這個結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，天文學家們正在擴建在美國猶他州沙漠地區的望遠鏡陣列（Telescope Array）。擴建后的望遠鏡陣列將由900多個粒子探測器組成，覆蓋面積將達到2500平方公里。通過升級后的望遠鏡陣列，天文學家將可以與皮埃爾·奧杰天文臺共同探測這些宇宙射線的來源。人類進行科學研究，有時發現問題與解決問題同樣重要。發現新的未知，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》雜志的報道）