捕捉不到射線

行動缺失:來自室女座星系團的超高能宇宙射線

如果你被射擊,潛入游泳池可能是比這更糟糕的選擇。正如探索頻道節目《流言終結者》曾經演示的那樣,即使是幾英尺深的水也能將子彈減速到非致命速度。類似的戲劇在宇宙中上演。對於移動速度超過一定速度(略低於光速)的粒子來說,瀰漫在太空中的微波輻射薄霧就好比一片稠密的大海。穿過數億光年的距離應該會將粒子的速度降至較為緩和的水平。

因此,天文學家長期以來一直困惑於為什麼這些被稱為超高能宇宙射線(UHECR)的粒子會撞擊地球。如果它們能在太空中穿行而不損失速度,那麼一定是科學家對它們的理解出了問題,或許是愛因斯坦的狹義相對論出了問題[參見喬治·穆瑟的《宇宙力量》;《大眾科學》,1999年1月]。然而,去年秋天,世界上最大的宇宙射線探測器陣列,位於阿根廷的皮埃爾·奧傑天文臺,將入射UHECR的方向與相當近的星系進行了匹配。如果粒子來自更遙遠的源頭並暢通無阻地穿過宇宙,那麼這種對齊是不太可能的。看來愛因斯坦躲過了一劫。

但是這些星系究竟有什麼特性使它們發射出超快粒子呢?在這方面,出現了一個新的謎團。在1月份舉行的美國天文學會會議上,奧傑團隊成員、芝加哥大學的瓦西里基·帕夫利杜描述了天文臺如何沒有觀測到哪怕一個來自室女座星系團方向的UHECR,室女座星系團是由至少1000個大型星系組成的星系團,距離地球約6000萬光年。你能想到的,室女座都有:黑洞、坍縮的恆星、暗物質。“無論你個人偏好哪種可能的超高能宇宙射線源,室女座都肯定有很多,”帕夫利杜說。


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來自室女座的UHECR的缺失可能只是一個統計上的偶然事件;再過一年的資料可能會帶來一些發現。“我們必須耐心等待,”另一位奧傑團隊成員,賓夕法尼亞州立大學的保羅·薩默斯說。“室女座可能會出現。”宇宙射線非常罕見,並且與星系可能對齊的數量非常龐大,以至於該團隊對將一個數字與它們缺失的統計意義聯絡起來持謹慎態度。不過,如果你住在加特林機槍附近,你肯定會聽到至少幾顆子彈呼嘯而過,不是嗎?“室女座的缺失已經變得令人不安,”帕夫利杜說。

許多研究人員將這種缺失視為一個非常需要的線索,以瞭解超強能源可能是什麼。超大質量黑洞長期以來一直是主要嫌疑物件。這些怪物聚集了圍繞它們旋轉的物質盤,當它們吞噬物質時,它們會噴射出快速移動的氣體射流,將粒子彈射到驚人的速度。奧傑探測到UHECR的大多數星系都被認為包含活躍的吸積盤。德國波恩馬克斯·普朗克射電天文研究所的彼得·比爾曼是這一假設的先驅,他將室女座的缺失歸因於我們銀河系外圍的強磁場。這些磁場會使入射的帶電粒子偏轉,並可能導致來自室女座的粒子被錯誤地歸因於其他來源。日本國家天文臺的井上進表示,偏轉量可能表明UHECR不是由質子組成,而是由高電荷原子核組成。

紐約大學的格倫尼斯·法拉爾和她的同事指出,室女座的超大質量黑洞往往具有尺寸過小的吸積盤。很少有黑洞產生彈射UHECR所需的能量。室女座可能是一個令人印象深刻的星系團,但在超大質量黑洞方面,它沒有什麼特別之處。

在其他方面,室女座也可能是一個出乎意料的微弱的超射線發生器。帕夫利杜說,星系的密集堆積可能會抑制各種可能的來源。例如,星系之間的相互作用可能會剝離氣體,扼殺恆星形成並減少爆炸恆星的數量。室女座自身的磁場可能會困住試圖離開星系團的粒子。

研究人員希望利用北半球的天文臺來證實室女座的缺失,北半球的天文臺可以更好地觀測到該星系團。所謂的望遠鏡陣列於1月份在猶他州西部開始執行,並且計劃在科羅拉多州東南部建造奧傑北部天文臺。但是,天文學家知識中的一個薄弱環節與其說是宇宙射線探測,不如說是對潛在來源的普通望遠鏡調查。宇宙射線可以幫助天文學家理解超大質量黑洞和其他現象。它們已經從新奇事物變成了工具。

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