本文發表於《大眾科學》的前部落格網路，反映了作者的觀點，不一定代表《大眾科學》的觀點
幾年前，我去聽了一場講座，天體物理學家特雷弗·威克斯將普通的粒子比作蚊子。它們數量眾多，很容易找到，事實上，它們會自己找到你。但他表示，超高能伽馬射線就像大象。它們相當稀有，但卻是最偉大的生物之一。它們經常在壯觀的棲息地漫遊。它們巨大的體型考驗著自然規律的極限。
我自然想邀請一篇關於這些魅力巨粒子的文章給《大眾科學》，但多年來我一直不知道文章該說什麼。儘管它們可能是科學界已知的最強大的電磁輻射——能量約為太電子伏特 (TeV) 的光子，相當於蚊子的動能集中在一個量子中——一旦你在同義詞詞典中用盡所有最高階詞彙，真正還有什麼可說的呢？在我聽威克斯演講時，天文學家總共只發現了大約十幾個 TeV 伽馬射線的宇宙源，而且它們都是常見的來源：巨型黑洞之類的。特拉伽馬射線並沒有揭示任何天文學家已經不知道的宇宙生態資訊。它們就像動物園裡的動物，在你看過小企鵝之前，看看它們還挺有趣的。
在過去的幾年裡，這一切都發生了改變。天文臺已經編目了136個TeV源，這足以開始進行系統的天文學研究，而不是奇特的物理學研究。它們取得了一些驚人的成果，質疑了關於脈衝星的傳統觀點，併為暗物質提供了一些線索。
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耀變體，那些碰巧讓我們從噴流噴射方向上觀看的巨型黑洞（見上圖），是銀河系外最大的 TeV 伽馬射線源類別。它們本身就非常極端，但有些會竭盡全力。它們的亮度相當於一千個銀河系，並且可以在一個小時內變化五倍，速度之快令人費解，甚至連光都無法從黑洞的一側穿到另一側。“它們是整個天文動物園裡最狂野的動物，”天體物理學家 查克·德默說。“光度簡直令人難以置信。”
除了最高階詞彙，去年克里斯托夫·普弗羅默、菲利普·張和艾弗裡·布羅德里克提出，耀變體產生的 TeV 伽馬射線在加熱星系際氣體方面發揮著被低估的作用。熱能的注入將阻止氣體沉降到星系中，尤其是在小型星系中，因為它們引力場太弱，無法克服消散的趨勢。這或許可以解決現代宇宙學中最令人困惑的難題之一：暗物質應該會形成許多微型星系，但似乎並沒有這樣做。
TeV 目錄中列出的耀變體只是其中一小部分。對於我們的儀器來說，所有其他耀變體都模糊在一起，形成瀰漫在整個天空中的光暈。在 20 世紀 90 年代，康普頓衛星測量了這種伽馬射線背景，能量高達 0.1 TeV。然而，當康普頓的繼任者，費米衛星進行觀測時，背景光暈看起來如此不同，就好像天文學家是第一次看到它一樣。早期的天文臺似乎在最高能量下校準錯誤。
結果是，耀變體並不是唯一用高能伽馬射線瀰漫我們天空的東西。德默表示，它們只佔背景的六分之一左右。其餘的必定來自脈衝星、超新星產生的宇宙射線碰撞，以及可能來自暗物質粒子的衰變或湮滅。“我們仍然無法解釋各向同性通量的強度，”費米專案領導者之一的物理學家史蒂夫·裡茨說。天體物理學家在上週於安克雷奇舉行的美國天文學會會議的特別會議上聚集在一起討論了這個謎團。
脈衝星是另一個例子，說明最近的測量如何迫使理論家回到繪圖板。按理說，這些超高密度的中子星應該不含高能伽馬射線。儘管恆星很可能在其表面附近產生這種伽馬射線，但周圍的磁層應該會將其熄滅，而較高高度產生的伽馬射線應該相對較弱。“很多人不鼓勵我們觀察脈衝星的脈衝發射，”伽馬射線天文學家內波穆克·奧特回憶道。
因此，當 MAGIC 天文臺看到來自蟹狀星雲核心脈衝星的高能脈衝的跡象時，奧特說幾乎沒有人注意。但他和他的同事堅持不懈，去年，費米和 VERITAS 天文臺證實了高達 0.4 TeV 的光子。“這改變了我們對蟹狀脈衝星中伽馬射線產生方式的看法，”奧特說。一個新想法是，電子和正電子流正在將能量輸送到外部磁層，並在那裡轉化為伽馬射線。天體物理學家早就知道中子星很複雜，但沒想到會如此複雜。
特拉伽馬射線天體物理學中最大的未知數是所謂的暗加速器。這些是天文學家尚未透過其他方式觀察到的 TeV 伽馬射線源；它們似乎不對應於任何恆星、星雲或其他可識別的物體。它們在資料庫中被誘人地標記為“UNID”。它們可能最終被證明是已知的系統，例如脈衝星星雲，但總有希望它們是暗物質或其他前所未見的物質。“關於它們有很多猜測，”奧特說。
為了確切地知道發生了什麼，天文學家需要的不僅僅是 136 個 TeV 源。一千個會更像樣。因此，他們現在正在計劃下一代天文臺，望遠鏡散佈在平方公里的土地上。就像馬達加斯加的動物一樣，伽馬射線已經衝出了它們的動物園，回到了野外，並且強調了“野性”這個詞。
耀變體影像版權：ESA/NASA，AVO 專案和 Paolo Padovani；望遠鏡影像版權：G. Perez，SMM，IAC