伽马射线望远镜发现银河系中心存在高能陷阱

NASA的费米伽马射线太空望远镜和位于纳米比亚的地基天文台——高能立体视野望远镜系统（High Energy Stereoscopic System，H.E.S.S.）的数据综合分析表明，我们银河系的中心有一个高能陷阱，集中了能量最高的宇宙射线，它们是整个星系中运动最快的粒子之一。

NASA费米伽马射线空间望远镜绕地球运行的概念图。

来源：NASA戈达德太空飞行中心概念图片实验室

“我们的研究结果表明，银河系中最深处的大部分宇宙射线，尤其是最有活力的那些，都在银河系中心之外的其他活跃区域中产生，而后与气体云相互作用导致运动速度降低，”阿姆斯特丹大学的主要作者Daniele Gaggero说，“正是这些相互作用产生了费米和H.E.S.S.观测到的大多数伽马射线。”

宇宙射线是以接近光速在空间中运动的高能粒子，其中大约90%是质子，其余由电子和各种原子核组成。在星系穿越的旅途中，这些带电粒子受到磁场的影响而改变了原本的路径，因此很难得知它们源于何处。

但是天文学家们可以在这些宇宙射线与物质发生相互作用并且发出伽马射线（见下方的视频）的时候研究它们。要知道，伽马射线可是光的最高能量的形式。

2016年3月，科学家与H.E.S.S.合作报道了伽马射线在银河系中心有极端活动的相关证据。该团队发现伽马射线的弥散发光几乎可以达到50万亿电子伏特（万亿电子伏特=TeV）的能量，这是费米大面积望远镜（Fermi's Large Area Telescope，LAT）能够观测到的伽马射线能量的50倍。为了更好的理解这个数据，可以比对一下，人类能够看到的可见光能量范围大约为2-3电子伏特。

伽马射线一旦进入费米大面积望远镜，费米航天器就可以探测出来。H.E.S.S.可以在地面上探测大气吸收伽马射线时发出的辐射，这个过程会引发大规模的粒子运动，产生蓝色闪光。

7月17日发表于《物理学评论快报》（Physical Review Letters）的一项最新研究中，一个国际科学小组结合了低能量的LAT数据与高能量的H.E.S.S.观测结果。研究得到的结果是，用一段连续的伽马射线光谱描述了来自银河系中心发射的跨越上千倍能量范围的辐射。

“一旦我们减去了明亮的点源，就会发现LAT和H.E.S.S.数据之间存在很好的一致性，这真是令人惊讶，因为二者使用的能量窗口和观测技术都不相同。”马德里理论物理研究所和位于都灵的意大利国家核物理研究所的合作者Marco Taoso说。

这种一致性说明，银河系中心以外的宇宙射线的数量（主要是质子）与在银河系中心观测到的伽马射线的数量有关。但是这些粒子中达到1000万亿电子伏特的高能粒子，穿越银河系中心区域时的效率比在银河系的其他任何区域要低得多。这就使H.E.S.S.能够有效观测到最高能的伽马射线。

图为高能立体视野望远镜系统（H.E.S.S.）的五台望远镜，这些望远镜位于纳米比亚，能够捕获到大气上层吸收超高能伽马射线时发出的微弱闪光。综合NASA费米伽马射线太空望远镜较低能量的数据和H.E.S.S.的高能观测资料，一项关于银河系中心的新研究认为一部分最快的粒子被困在高能陷阱中。

来源: H.E.S.S., MPIK/Christian Foehr

“最高能宇宙射线在经过银河系中心时比之前认为的要花费更多的时间，这让他们对伽马射线有了更深刻的印象。”位于日内瓦近郊里亚斯特的欧洲核物理研究中心合作者Alfredo Urbano说。

宇宙射线通过星系的传统模型中不包含这种效应，但是研究人员表明，在模拟中加入这种变化能够与费米数据更好地吻合。

“产生这些伽马射线的粒子在极速碰撞中同样也会产生中微子，它是一种最快、最轻也是目前未知程度最高的基本粒子。”意大利国家核物理研究所的合作者Antonio Marinelli说。由于中微子不携带电荷，所以它几乎不与其他物质相互作用，周围磁场也不会影响到它们，因此中微子能够从源头直接向我们传播。

“类似南极洲的IceCube这样的实验正在探测我们太阳系以外的高能量中微子，但是找寻他们的来源却比寻找他们本身要困难的多，”位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的费米团队成员Regina Caputo（他并没有直接参与到这个项目中）说，“费米和H.E.S.S.的研究结果表明，银河系中心在不久的将来很可能会被探测到是一个强大的中微子的来源，这个结果真让人兴奋。”

费米任务是由NASA和美国能源部合作创办的天体物理和粒子物理学跨学科合作，以及来自法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国有重要贡献的各大学术机构和合作伙伴共同负责。H.E.S.S.的合作伙伴包括来自德国、法国、英国、波兰、捷克共和国、爱尔兰、亚美尼亚、南非和纳米比亚的科学家。（ 翻译：董小咚 校对: 王索 傅煜铭 ）