位於阿根廷的皮埃爾·奧傑天文臺最終獲得了確鑿的證據，表明自然界中能量最高的粒子來自銀河系以外的來源。科學家們對此已經懷疑了幾十年，但直到現在才能夠證實。
“我們首次獲得了證據，證明最高能量的宇宙射線起源於銀河系外，”英國天文學家和天文臺聯合創始人艾倫·沃森說。對於研究人員來說，這個結果是一種安慰，此前皮埃爾·奧傑合作組織十年前就其起源提出的說法後來被證明為時過早。
這個國際團隊分析了12年來的資料，發現能量較高範圍內的粒子更可能來自銀河系盤以外的天空區域。研究人員在9月22日出版的《科學》雜誌上報告稱，這種不對稱性與鄰近星系的分佈大致一致。
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這項研究沒有 pinpoint 宇宙射線的個體來源，也沒有解釋它們如何達到最高能量。但研究人員希望這是朝著理解其起源邁出的第一步。
隱形陣雨
大多數宇宙射線是質子或其他帶電粒子，包括重達鐵的原子核。當這樣的粒子雨點般落在地球高層大氣層並與空氣中的原子核碰撞時，它會產生亞原子粒子的彈片爆發。這些碎片撞擊其他原子核併產生更多粒子，從而產生一種隱形的“陣雨”，當它到達地面時，通常會 spread 超過許多平方公里。
為了探測這些陣雨，皮埃爾·奧傑天文臺設定了1600個汽車大小的水箱，間隔1.5公里，覆蓋了阿根廷門多薩省 3000 平方公里的草原。四組望遠鏡監測著陣列上空的天空，並且——在沒有月亮的夜晚——可以探測到陣雨產生的紫外線閃光。從其相對靠近赤道的位置，該陣列可以接收來自整個南半球天空以及大部分北半球天空的宇宙射線，覆蓋 85% 的天球。
天文臺需要如此之大，才能捕捉到足夠多的最令人垂涎的粒子。已探測到的宇宙射線能量超過 1020 電子伏特 (eV)；相比之下，位於瑞士日內瓦附近的世界上最大的粒子加速器大型強子對撞機將質子推至僅 7 × 1012 eV。然而，宇宙射線的能量越高，就越稀有。在 1020 eV 範圍內，一個粒子平均每世紀才撞擊地球一平方公里一次。
研究人員查看了天文臺從 2004 年開始到 2016 年探測到的 32,187 個能量高於 8 × 1018 eV 的粒子。銀河系的磁場會彎曲帶電粒子的路徑，這可能會在它們撞擊地球時隨機化其方向。但這些粒子仍然比平均水平更有可能來自天空的特定區域，該區域位於銀河系盤之外。
令人驚訝的偏斜
大多數研究人員預計會出現偏斜，但沒想到會如此強烈，法國奧賽 CNRS 核物理研究所的天體粒子物理學家 Piera Ghia 說，他幫助協調了資料分析。威斯康星大學麥迪遜分校的天體物理學家弗朗西斯·哈爾岑對此表示贊同。“這真的非常大。對我來說，這是一個驚喜，”哈爾岑說，他是南極冰立方中微子天文臺的發言人。
在考慮磁偏轉時，皮埃爾·奧傑天文臺觀測到的不對稱性與距離銀河系約 90 兆秒差距（約 3 億光年）範圍內的星系分佈相符，阿根廷聖卡洛斯-德巴里洛切 Balseiro 研究所的奧傑天體物理學家 Silvia Mollerach 說。
結果強烈反對銀河系中心的超大質量黑洞作為高能粒子的主要來源。“最可能的來源仍然是常見的嫌疑物件，”Mollerach 說：天體物理現象，產生極其強烈的磁場，帶電粒子可以在其中像彈球一樣彈跳並獲得能量。這些包括活動星系核——以接近光速噴射物質射流的超大質量黑洞——以及被稱為 γ 射線暴的恆星爆炸。
與合作組織在 2007 年提出的一個說法相比，最新的說法相當保守。那時，它發現了截至當時觀測到的 27 個極高能量宇宙射線（高於 57 × 1018 eV）與一組已知的活動星系核之間存在關聯。這篇論文引起了轟動，但結果的統計意義很弱，並且隨著陣列收集更多資料，很快就消失了。“回想起來，我們過早釋出是一個錯誤，”奧傑發言人、德國伍珀塔爾大學物理學家卡爾-海因茨·坎珀特說。
坎珀特說，這一次，該團隊沒有冒險：它積累了更多的資料，並確信結果是可靠的。哈爾岑表示贊同。“我認為最新的結果的統計意義是毋庸置疑的，”他說。
既然研究人員有了更多資料，他們將再次嘗試尋找與潛在來源的關聯。該項研究的結果應該會在幾個月內公佈。該合作組織還計劃與猶他州的一個較小的天文臺——望遠鏡陣列——聯手，嘗試繪製整個天空宇宙射線的起源圖。
皮埃爾·奧傑天文臺也正處於耗資 1200 萬美元的升級的初始階段，這將使其能夠更好地測量宇宙射線流中質子和較重原子核的相對丰度。
本文經許可轉載，並於2017年9月21日首次發表。