可能存在的宇宙线热区

对北天宇宙线成团性的探测可能说明，轰击地球大气的大多数高能粒子来自一个源区。

天文学家发现，有迹象表明，北天存在一个宇宙线热区。宇宙线是从太空落到地球的带电粒子（主要是质子）。它们达到的能量远远高于人造粒子对撞机（如大型强子对撞机，它以万亿也就是10¹²电子伏特的能量将质子轰击在一起）的能力。

能量低于10¹⁵电子伏特的宇宙线来自银河系之内，可能是来自恒星生生死死的堡垒之中。能量更高的粒子（最高可达60 EeV，1个EeV相当于10¹⁸电子伏特）来自银河系以外。由于在穿过辽阔的星系际空间时沿途会与其他物质相互作用，能量高于60 EeV的粒子通常不会抵达地球。

由于银河系内外的磁场会让带电粒子运动发生偏转，遮掩了它们原始的入射方向，大多数宇宙线的具体起源是难以说清的。只有能量最高的宇宙线可以穿过磁场屏障而不会迷失方向。

这张艺术插图描绘了高能宇宙线粒子轰击地球高层大气时产生簇射粒子的假想场面。（图片提供：J. Yang / NSF）

2007年一项对最高能宇宙线粒子入射方向的研究认为，它们与邻近的活动星系核（AGN，也就是贪吃的特大质量黑洞在星系核心吞噬气体时塑造的闪耀灯塔）微弱成协。2010年，同一小组利用阿根廷的皮埃尔·俄歇（Pierre Auger）天文台在南天发现了一个位于活动星系半人马A附近的“温点”。

现在另一个小组探测到了北天一个可能的热区。这一区域位于大熊座的四肢之间，坐标是赤经9时46.8分，赤纬43.2度。

寻找宇宙线成团性

美国和日本合作的小组使用的是犹他州的望远镜阵列，这是由超过500台乒乓球案大小的闪烁体探测器组成的网络。探测器记录下了宇宙线碰撞地球大气时生成的次级带电粒子撞击事件。这些副产物以空气簇射的形式落到地面，研究者根据粒子到达时间的差异反推并确定出原始宇宙线粒子的入射方向。

在5年多的时间里，望远镜阵列小组采集了符合多种探测和入射角度条件、同时入射宇宙线能量不低于57 EeV的72个事件的数据。随着数据的积累，研究者发现，在大熊座方向表现出了成团现象。因此在积累了足够多的数据后，他们在天图上描出了一个直径40度的圆圈，随后以0.1度的步长让圆圈逐渐移动，每次都计数了圆圈之内的事件数量。

他们使用这种方法发现，事件最多的圆圈中心位于大熊座的四肢之间。

一个国际小组在北天发现了宇宙线源头的成团现象。上图展示了单个粒子的来源，下图是彩色等高线图，展示了在直径40度的圆圈内观测事件的总数。红色表示观测事件数量最多的区域。（图片提供：Telescope Array Collaboration）

小组成员、来自犹他大学的戈登·汤普森（Gordon Thomson）解释说，无论是先前的研究，还是仅仅通过肉眼观察，都说明40度是发现成协现象的理想尺寸。不过由于天文学家并没有扩大或缩小圆圈的大小，也没有寻找在某一直径处是否存在截断，小组并不清楚成团区域究竟有多大。

皮埃尔·俄歇天文台的合作发言人、德国伍珀塔尔（Wuppertal）大学的卡尔—海因茨·坎伯特（Karl-Heinz Kampert）提醒说，不做这些分析的话，小组提出的热区在数据中可能会被过分突出。他还担心，小组并没有做匿情分析（也就是说，他们是看着团簇生长而出，而没有在采集完所有的数据并寻找特征之前一直在等待）。

虽然说了这些，他还是对这一发现感兴趣，并对它所隐含的意味满怀希望。如果大熊座与半人马A热区都可以经受住未来分析的考验，它意味着南北天能量最高的宇宙线来自至少两个不同的源头。坎伯特说：“这实在是有趣的数据，不过我认为，为了作出切实的论断，人们必须要耐心一点。”

团簇的成因仍旧不明

如果热区确实是真实存在的，接下来的问题是，宇宙中有什么东西产生了它们？北半球热区的中心位于室女座星系团中心东北19度，看起来距离这个超星系团过远，星系团不大会是罪魁，但是这仍旧很吸引人。坎伯特说，半人马A可能就是以它为中心的热区的起源，这是一个拥有庞大瓣状外流物的星系，外流物中可能交织着高能粒子与磁场。但现在断言还为时过早。

图中结合了NASA钱德拉X射线天文台的X射线数据（蓝色），以及射电（橙色）和可见光数据，揭示出了半人马A中央黑洞发出的喷流和射电辐射瓣。

汤普森提出，热区可能来自宇宙纤维结构。星系团组成了宇宙网络之中的纤维结构，宇宙在最大尺度上看去有些类似海绵。这些纤维结构不仅充斥着星系，还填充有磁场，磁场会加速带电粒子。在搜寻在邻近星系星表之后，汤普森猜测，他的小组发现的热区与从室女座延伸到银河系的一条纤维吻合，而以半人马A为中心的热区是一条径直背离我们而去的纤维，这个星系本身是纤维中距离我们最近的两个成员之一。他提醒说，他只是一名实验家而非理论家，因此可能在这方面是晚餐错误的。他笑着说：“但是你忍不住的。”

虽然这两个计划是在不同的半球进行的，不过有一小部分天区是两处阵列都可以看到的。小组现在正在合作分析观测重叠天区的数据，看一看可以发现什么。

参考文献：

R·U·阿巴西（R. U. Abbasi）等人，《望远镜阵列实验地表探测器测量到北天57 EeV以上能量宇宙线中等尺度各向异性的迹象》，已被《天体物理学通报》接收
皮埃尔·俄歇小组，《最高能宇宙线粒子与邻近河外星系物质成协性的更新》，《粒子天体物理学》，2010年12月
皮埃尔·俄歇小组，《最高能宇宙线粒子与邻近河外天体的成协性》，《科学》，2007年11月9日

（全文完）