来自银河系外的消息

苗千

在阿根廷西部的门多萨省，3000平方公里的土地上，分布着1660个粒子探测器，在每一个探测器中都装有1.2万升超高纯度的水——这就是皮埃尔·奥杰天文台（Pierre Auger Observatory）的粒子探测装置。来自18个国家的超过400位天文学家正是通过这座建于2004年的宇宙射线天文台，将人类探索的范围投向银河系之外。正是在这里，经过了十多年的工作之后，人类又发现了新的未知。

地球无时无刻不受到宇宙射线的轰击。宇宙射线大多是质子或是一些质量更重的带电亚原子粒子，它们的能量各不相同，来源也不尽相同。研究这些宇宙射线的来历，是人们了解宇宙的一个重要手段。有一些能量相对较低的宇宙射线来自银河系内部，这些带电粒子大多产生于银河系内的超新星爆发或是其他天体活动，这些粒子因为会受到银河系磁场的影响，运动轨迹发生偏转，因此当它们到达地球时，会显得像是来自各个方向。还有另外一些能量极高的宇宙射线，它们的来历以及形成原因一直困扰着天文学家。十多年来，在皮埃爾·奥杰天文台工作的天文学家们一直希望能够通过粒子探测解开这个谜题。

奥杰天文台发布的宇宙射线想象图

一些宇宙射线的能量高到令人无法理解的程度。天文学家探测到的一些带电粒子的能量甚至可以达到在地球上最强大的粒子加速器内所能达到的粒子能量的数百万倍。皮埃尔·奥杰天文台的一个重要目标就是解开这个谜题。在夜空中，利用特殊的望远镜可能会观测到一些宇宙射线与地球大气层中的氮气原子相撞所产生的荧光。另一方面，当这些高能粒子到达地球，与大气层中的粒子发生碰撞时，会产生出众多能量相对较低的粒子。在想象中这些粒子如同阵雨一样洒落地面，面积可达数平方公里。皮埃尔·奥杰天文台就是通过布置在地面上的众多粒子探测器，探测这些到达地面的粒子。

对于能量最强的宇宙射线，尤其是质量相对较轻的质子，它们的运动轨道受到银河系磁场的影响相对较小。在地面上的粒子探测器阵列接收到来自天空中的粒子信号，同时记录下接收时间。通过这样的方式，天文学家就可以大致计算出这些高能粒子碰撞的方向，希望可以进而判断出它们产生的机制。有人怀疑，对于具有如此高能量的带电粒子，最有可能的来源就是银河系中心的超巨型黑洞，经由这个黑洞的巨大引力场对其进行加速。但也有人怀疑，这些具有极高能量的带电粒子来自银河系之外。早在2007年，皮埃尔·奥杰天文台的天文学家们就在《科学》杂志上发表过一篇论文《高能量宇宙射线与邻近银河系外天体的联系》（Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects），论述这些最早于1962年发现的具有超高能量的宇宙射线可能来自银河系外的星系。但是这篇论文在学术界引发的反应并不一致，有人认为这篇论文提供的证据太过牵强，不能令人信服。

过了10年之后，这个天文台的科学家们又一次发表了他们的研究结果。2017年9月22日，他们共同在《科学》杂志发表论文《对于大规模各向异性高于8×1018eV宇宙射线来源方向的观测》（Observation of a Large-scale Anisotropy in the Arrival Directions of Cosmic Rays Above 8×1018eV）。在这篇论文中，天文学家们通过大量的数据分析，终于用极强的证据表明：这些能量极高的宇宙射线来自银河系之外。

皮埃尔·奥杰天文台的每个探测器之间相距1.5公里。天文学家们通过这些探测器的探测结果分析最初发生碰撞的粒子的方向和能量，他们分析了从2004年到2016年，这12年间所记录的超高能量的宇宙射线。这段时间之内，天文台总共探测到了32187个能量高于8×1018电子伏的粒子，然后通过统计学方法判断它们的来历。

经过计算和分析，天文学家们证明，这些能量最高的宇宙射线来源的方向并不指向银河系的中心，而是指向了银河系外，这说明它们来自于更加遥远的河外星系，而这些粒子何以达到如此之高的能量，原因依然是一个谜。皮埃尔·奥杰天文台的探测范围可以覆盖整个南天球以及大部分的北天球，而天文台的探测结果显示，这些高能量带电粒子的方向并不平均，而是偏向于某一个固定的方向，这可能与银河系临近的河外星系的相对位置有关。早在2014年9月，来自夏威夷大学和里昂第一大学的科学家们就将包括银河系在内的大约300到500个已知的星系团和星系群称为拉尼亚凯亚超星系团（Laniakea）——这个名字在夏威夷语中意为“无尽的天堂”。很可能就是在拉尼亚凯亚超星系团中银河系的某个临近星系的某种人类尚不知晓的天体活动，制造了这些具有超高能量的亚原子粒子，这些粒子穿越茫茫的星系，穿越星系间几乎空无一物的宇宙空间，到达银河系，最终与地球大气层的粒子相撞，又被人类探测到。

很多天文学家早就猜测这些能量极高的粒子来自于银河系外，此次关于这些粒子来源的切实证据可以说让很多天文学家松了一口气，也为这个困扰了天文学家超过50年的谜团做出了初步的解答。虽然还有太多的未知，但这个结果可以算作人类理解银河系外星系的第一步。不只是在皮埃尔·奥杰天文台，主要由日本政府投资，天文学家们正在扩建在美国犹他州沙漠地区的望远镜阵列（Telescope Array）。扩建后的望远镜阵列将由900多个粒子探测器组成，覆盖面积将达到2500平方公里。通过升级后的望远镜阵列，天文学家将可以与皮埃尔·奥杰天文台共同探测这些宇宙射线的来源。人类进行科学研究，有时发现问题与解决问题同样重要。发现新的未知，往往意味着人类对于宇宙的理解又加深了一步。在这些神秘的高能宇宙射线之中，就隐藏着河外星系的秘密。

（本文写作参考了《自然》和《科学》杂志的报道）