多種猜想之銀河系中心伽馬射線的來(lái)源

銀河之心意想不到的跳動(dòng)

由錢(qián)德拉X射線天文臺(tái)衛(wèi)星所拍攝到的圖像表明銀河系中心超大質(zhì)量黑洞（人馬座A*）的周?chē)嬖谳椛洹Ｍ瑫r(shí)，這張照片也顯示出了該地區(qū)2000多個(gè)其他的以光點(diǎn)形式被看見(jiàn)的X射線源。

圖解：人馬座A*是銀河系中心明亮且非常緊湊的天文射電源，是一個(gè)超大質(zhì)量黑洞的位置，類似于大多數(shù)(雖然不是全部)螺旋和橢圓星系中心的大質(zhì)量天體。圖源：wikimedia.

在人馬座方向，銀河系中心距我們大約有27，000光年遠(yuǎn)。正如科學(xué)家們?cè)缧r(shí)候就知道的那樣，銀河系中心確實(shí)存在著一個(gè)被數(shù)百萬(wàn)顆恒星包圍著的超大質(zhì)量黑洞，所有這些恒星比我們太陽(yáng)位置附近處的銀河系外旋臂的恒星聚集得都更加緊密。

觀測(cè)數(shù)據(jù)表明，在這密集區(qū)域的某處存在著一處強(qiáng)能量源——伽馬射線源（天文學(xué)家們還在努力證實(shí)中）。這強(qiáng)大的能量源可能來(lái)自于一顆爆炸的恒星，也可能是一種神秘暗物質(zhì)的標(biāo)志。

在2004年初春的時(shí)候，兩個(gè)伽馬射線實(shí)驗(yàn)（美國(guó)的VERITAS項(xiàng)目以及日本和澳大利亞合作的CANGAROO工程）證實(shí)了伽馬射線的來(lái)源。歐洲高能立體視覺(jué)系統(tǒng)（HESS）最近的偵測(cè)結(jié)果更是毫無(wú)疑問(wèn)地表明了，有意想不到的伽馬射線從銀河系中心發(fā)出。

知曉這些發(fā)現(xiàn)后，VERITAS的首席研究員特雷弗·威克斯（Trevor Weekes）不由地說(shuō)道：“這真有點(diǎn)讓人驚訝啊。雖然銀河系中心一直是個(gè)謎?！?/p>

這個(gè)推論有部分是基于這樣的事實(shí)，即我們銀河系的中心部分被銀河系平面上的塵埃遮蔽，而太陽(yáng)和大部分銀河外星系行星的軌道正好在塵埃的遮蔽下。

這些塵埃吸收了大量的可見(jiàn)光，使人們幾乎不可能看到銀河系的中心。但其他形式的光，如伽馬射線（能量最高的輻射類型），并不會(huì)受到影響。這就是科學(xué)家們研究伽馬射線的原因之一——伽馬射線能穿透塵埃到達(dá)我們的太陽(yáng)系。

淋浴探測(cè)器

現(xiàn)在有三個(gè)天文臺(tái)都在記錄高能的伽馬射線。來(lái)自英國(guó)德倫大學(xué)和是歐洲高能立體視覺(jué)系統(tǒng)（HESS）會(huì)員的保拉·查德威克（Paula Chadwick）也曾說(shuō)道，伽馬射線的能量是醫(yī)院X射線輻射的10億倍。

幸運(yùn)的是這些高能光子在到達(dá)地表之前便會(huì)被上層大氣吸收。因此，天文學(xué)家已經(jīng)把這種吸收作為探測(cè)伽馬射線一種的方式。

威克斯（Weekes）解釋道：“在大約20公里處的高空，伽馬射線會(huì)和空氣分子相互作用，產(chǎn)生一對(duì)與伽馬射線大致同方向的正負(fù)電子?！?/p>

正電子是電子的反物質(zhì)。初始粒子與其他空氣分子相撞后，會(huì)產(chǎn)生更多的電子-正電子對(duì)，這種級(jí)聯(lián)形成了所謂的“空氣簇射”。

一般來(lái)講，由快速移動(dòng)的淋浴粒子釋放出的一道藍(lán)色閃光，都是弱強(qiáng)度、高速度、肉眼看不到的。但像歐洲高能立體視覺(jué)系統(tǒng)（HESS）和其他設(shè)備這樣的大型收集鏡子，可以捕捉到淋浴的特征。

牛津大學(xué)理論學(xué)家丹尼爾·胡勃（Daniel Hooper）說(shuō)：“從[閃光探測(cè)]中，可以辨別出入射伽馬射線的方向和能量?！?/p>

黑洞噴流

通過(guò)記錄來(lái)自同一方向的多樣閃光，天文學(xué)家已經(jīng)推斷出在數(shù)百萬(wàn)光年之外的星系中有強(qiáng)能源存在。一光年是光在一年中傳播的距離，約為60，000億英里（100，000億公里）。

這些伽馬射線可能來(lái)自遙遠(yuǎn)星系中心一個(gè)超大質(zhì)量黑洞噴出的噴流。

鑒于我們銀河系有自己的幾百萬(wàn)太陽(yáng)質(zhì)量的超大質(zhì)量黑洞，這個(gè)黑洞也很可能有一股伽馬射線噴流向我們噴射。

威克斯（Weekes）說(shuō)：“這將是一個(gè)令人激動(dòng)的結(jié)果，但我們現(xiàn)在還沒(méi)有任何關(guān)于銀河系中心噴流的確鑿證據(jù)?！?/p>

現(xiàn)在還存在的一個(gè)問(wèn)題是，黑洞的射電和X射線輻射很難與噴流假說(shuō)相一致。

胡勃說(shuō)：“坦白講，沒(méi)有人預(yù)料到[銀河系中心的]黑洞會(huì)以這種方式加速粒子?！?/p>

盡管如此，仍有一些理論試圖設(shè)想出黑洞在不擾亂其他約束的情況下產(chǎn)生必要的伽馬射線的方法。

超新星遺跡

另一種可能是，伽馬射線來(lái)源于銀河系中心附近恒星的爆炸或超新星。

查德威克（Chadwick）說(shuō)：“我們都知道，10，000年前曾有一顆巨大的超新星在這片區(qū)域爆炸?！?/p>

來(lái)自這樣的恒星大災(zāi)難的能量會(huì)產(chǎn)生沖擊波—一個(gè)由高能粒子組成的膨脹的氣泡。因此，這些被稱為“超新星遺跡”的天體，遍布著我們的銀河系。

事實(shí)上，太空中最明亮的伽馬射線源是蟹狀星云，這是1054年一顆恒星爆炸后的超新星遺跡。蟹狀星云的伽馬射線亮度大約是銀河系中心的20倍，但是銀河系距離我們的距離大概是蟹狀星云的四倍。

威克斯（Weekes）說(shuō)，超新星殘骸有各種不同的能量光譜，但來(lái)自銀河系中心的光譜看起來(lái)跟來(lái)自于蟹狀星云的光譜很相似。光譜是由光產(chǎn)生的顏色的彩虹，當(dāng)它通過(guò)棱鏡時(shí)，可以被分析出化學(xué)特征和其他關(guān)于光源的線索。

“這最保守的解釋是，[銀河系中心的光源]是超新星遺跡。”威克斯（Weekes）說(shuō)道。

然而，歐洲高能立體視覺(jué)系統(tǒng)（HESS）的合作小組稱，就像黑洞噴流一樣，用伽馬射線的測(cè)量來(lái)修正銀河系中心超新星剩余物的x射線和無(wú)線電測(cè)量的方法是存在問(wèn)題的。

暗物質(zhì)的湮滅

另一種可能是，銀河系中心的伽馬射線是暗物質(zhì)粒子相互碰撞和自毀產(chǎn)生的。天體物理學(xué)家已經(jīng)證明，這未知的暗物質(zhì)對(duì)于防止旋轉(zhuǎn)星系分裂是必要的—就像引力膠可以防止粘土從旋轉(zhuǎn)過(guò)度的陶輪上滑落一樣。。

關(guān)于暗物質(zhì)的一個(gè)流行理論涉及超對(duì)稱 (SUSY)—粒子物理學(xué)標(biāo)準(zhǔn)模型（認(rèn)為每個(gè)已知粒子都有一個(gè)超對(duì)稱搭檔）的擴(kuò)展。雖然目前還沒(méi)有探測(cè)到超新星的伴星，但從理論上講，某些伴星可能就是暗物質(zhì)。

如果我們相信這種情況，那么我們的銀河系就在一巨大的超對(duì)稱粒子團(tuán)中游泳。胡勃（Hooper）解釋說(shuō)，這個(gè)粒子團(tuán)中心的密度十分巨大，可能偶爾會(huì)使得超對(duì)稱粒子在碰撞中相互湮滅。

這種湮滅會(huì)產(chǎn)生伽馬射線。歐洲高能立體視覺(jué)系統(tǒng)（HESS）從銀河系中心探測(cè)到的光譜表明，有一個(gè)質(zhì)量是質(zhì)子12,000倍的超對(duì)稱粒子。這質(zhì)量的大小可能會(huì)讓支持超對(duì)稱理論的學(xué)者感到不舒服。

胡勃（Hooper）說(shuō)：“要讓超對(duì)稱粒子達(dá)到如此高的質(zhì)量，則需要對(duì)其他參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，達(dá)到一種非常微妙的平衡。”

但胡勃(Hooper)并沒(méi)有完全排除暗物質(zhì)湮滅的可能性。

胡勃(Hooper)說(shuō)：“它可能是我們沒(méi)有想到過(guò)的事情?！蓖瑫r(shí)，他也指出：“它必須是一種非常奇特的東西，而超對(duì)稱性并沒(méi)有那么奇特?！?/p>

胡勃(Hooper)強(qiáng)調(diào)，即使伽馬射線并不來(lái)自于湮滅，“暗物質(zhì)的存在也是毋庸置疑的?！?/p>

最終的解決方案

要減少伽馬射線產(chǎn)因猜測(cè)的版本就需要更多數(shù)據(jù)的支持。由于空氣簇射探測(cè)器必須看到藍(lán)色閃光，所以它們只能在無(wú)月之夜工作。根據(jù)威克斯（Weekes）的說(shuō)法，每分鐘只有幾條伽馬射線能從銀河系中心到達(dá)偵測(cè)處。要收集到足夠的能獲得清晰信號(hào)的閃光還需要更多的時(shí)間。

位于非洲西南部的納米比亞的歐洲高能立體視覺(jué)系統(tǒng)（HESS），在2003年夏天，只有兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡時(shí)，便觀測(cè)到了銀河系的中心。現(xiàn)在該設(shè)備正配備著四臺(tái)望遠(yuǎn)鏡。增加的設(shè)備將能助力伽馬射線來(lái)源的確切分辨。

胡勃(Hooper)說(shuō)：“問(wèn)題一直都在向前發(fā)展，現(xiàn)在的發(fā)現(xiàn)還只是冰山一角而已—我們預(yù)計(jì)未來(lái)的幾年將會(huì)取得穩(wěn)步向前的進(jìn)展。”

BY: Michael Schirber

FY:玖貳

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