來(lái)自一顆矮星系的伽馬射線解決了一天文難題

自2012被發(fā)現(xiàn)，一個(gè)被稱作“蠶繭”的發(fā)光團(tuán)已經(jīng)困擾了天文學(xué)家們10年有余。

（圖片來(lái)源：戈德太空飛行中心）

這篇文章最初發(fā)表于《對(duì)話》，出版方將本文歸屬于Expert Voices: Op-Ed & Insights

它是一個(gè)發(fā)光團(tuán)；蠶繭是它的代稱；銀河系中心的伽瑪散射區(qū)域是它的居所；費(fèi)米泡泡——這是它的名字。而自2012年被發(fā)現(xiàn)，費(fèi)米泡泡已經(jīng)困擾了科學(xué)家們10年有余。

一項(xiàng)被發(fā)表在《自然天文》的新研究表明，蠶繭是由人馬座矮星系中的毫秒脈沖星——一種快速旋轉(zhuǎn)的恒星——發(fā)射的伽馬射線形成的。這個(gè)星系圍繞著銀河系公轉(zhuǎn)。這項(xiàng)研究解決了蠶繭的謎題，但也同時(shí)消除了在蠶繭發(fā)射出的任何伽馬射線熒光中尋找暗物質(zhì)的可能性。

探測(cè)伽馬射線

對(duì)于地球生物來(lái)說(shuō)，大氣層能夠阻擋伽馬射線是一件極其幸運(yùn)的事情。這種射線的由高能粒子組成——它們的能量是我們?nèi)庋厶綔y(cè)到的光子能量的百萬(wàn)倍。

由于地面觀測(cè)會(huì)受到阻擋，直到觀測(cè)儀器被發(fā)射到太空前，科學(xué)家們無(wú)法計(jì)算伽馬射線在空中的豐富程度，但從衛(wèi)星維拉（于1960年進(jìn)入軌道，用于監(jiān)控核武器測(cè)試禁止跳躍）偶然的發(fā)現(xiàn)后，越來(lái)越多的伽馬射線被發(fā)現(xiàn)了。

如今用于類似觀測(cè)的最先進(jìn)設(shè)備是費(fèi)米伽馬射線望遠(yuǎn)鏡。這個(gè)來(lái)自NASA的龐然大物已經(jīng)在軌超過(guò)十年。它在分解細(xì)節(jié)和探測(cè)微弱射線源方面的能力已經(jīng)帶來(lái)了一系列關(guān)于銀河系乃至整個(gè)宇宙的驚人發(fā)現(xiàn)。

神秘的氣泡

其中一個(gè)新發(fā)現(xiàn)出現(xiàn)于2010年，也就是費(fèi)米望遠(yuǎn)鏡發(fā)射不久之后：銀河系的中心有不明物體在“吹”出一些像一對(duì)會(huì)發(fā)射伽馬射線的泡泡的物質(zhì)。這些出人意料的“費(fèi)米泡泡”占據(jù)了天空的10%。

對(duì)于這些泡泡的來(lái)源，主流觀點(diǎn)認(rèn)為是銀河系的超大質(zhì)量黑洞。這個(gè)巨獸有400萬(wàn)倍的太陽(yáng)質(zhì)量。它潛伏在銀河系的核區(qū)域，也就是泡泡產(chǎn)生的地方。

多數(shù)星系中心都具有這樣的大黑洞。在某些星系中，這些黑洞在不斷地吞噬暗物質(zhì)。吸收的同時(shí)，它們也會(huì)噴出巨大的“射流”，這種“射流”可以在電磁波光譜中看到。

因此，在費(fèi)米泡泡被發(fā)現(xiàn)后，研究人員們提出了這樣的問(wèn)題：能否找到確鑿的證據(jù)將這些泡泡與中央大黑洞聯(lián)系起來(lái)？很快，試探性證據(jù)出現(xiàn)了。在每個(gè)泡泡的中央都有一條很細(xì)的伽馬射流從銀河系中心發(fā)出。但是，隨著時(shí)間推移和更多數(shù)據(jù)的采集，一切又變得撲朔迷離。雖然這樣的射流特征在一個(gè)泡泡中被證實(shí)了，它在其它泡泡卻沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)。

這些泡泡看起來(lái)非常不對(duì)稱：其中一個(gè)包含有一處伸長(zhǎng)的亮點(diǎn)——也就是蠶繭——，而這個(gè)亮點(diǎn)并沒(méi)有出現(xiàn)在其它泡泡中。

蠶繭以及它的起源

一項(xiàng)前沿的自然天文課題就是對(duì)蠶繭展開(kāi)深入研究。而我們驚人地發(fā)現(xiàn)這種結(jié)構(gòu)與費(fèi)米泡泡或者銀河超大質(zhì)量黑洞都沒(méi)有任何關(guān)聯(lián)。

與此相反，我們發(fā)現(xiàn)蠶繭其實(shí)完全是另外一種東西：Sagittarius矮星系發(fā)出的伽馬射線。從地球上觀測(cè)，這個(gè)星系可以在靠南泡泡的后方被發(fā)現(xiàn)。

銀河系示意圖，包含費(fèi)米泡泡（粉色球）和人馬座矮星系以及它的尾巴（分別標(biāo)記為黃色和綠色）從太陽(yáng)的角度觀察，人馬座矮星系可以透過(guò)費(fèi)米泡泡被看到。

人馬座矮星系的名字來(lái)源于它在人馬座中的位置。它是銀河系的一個(gè)“衛(wèi)星”星系，也是一個(gè)被銀河系強(qiáng)引力撕碎的更大星系的殘留物。事實(shí)上，從人馬座矮星中被拉出的恒星可以在其包圍了整個(gè)銀河系的尾巴中被找到。

伽馬射線的產(chǎn)生

在銀河系中，伽馬射線的主要來(lái)源是高能粒子（宇宙射線）與非常稀薄的恒星間氣體的碰撞。

但是這一過(guò)程無(wú)法應(yīng)用于人馬座矮星發(fā)射的伽馬射線。 由于剛剛提到的引力，人馬座矮星在很早以前就失去了它的氣體。那么這些伽馬射線究竟從何而來(lái)？

我們考慮了不少可能性，包括一種令人興奮的想法：暗物質(zhì)——一種只能通過(guò)它們的引力效應(yīng)被觀測(cè)的物質(zhì)，天文學(xué)家認(rèn)為它們占據(jù)了宇宙物質(zhì)的大部分。不辛的是，蠶繭的形狀與可見(jiàn)恒星的形狀分布非常相似，這排除了暗物質(zhì)作為起源的可能性。

無(wú)論如何，這些恒星肯定是伽馬射線的發(fā)源。但人馬座矮星的恒星已經(jīng)年老，進(jìn)入了休眠期。再這樣的恒星群中，什么樣的源頭可以產(chǎn)生伽馬射線呢？

毫秒脈沖星

最終只有一種可能：一種叫做毫秒脈沖星的快速旋轉(zhuǎn)物體。它們是一種特殊恒星的殘留，這些恒星的質(zhì)量比太陽(yáng)的大得多，并且在與另外一顆恒星互相繞轉(zhuǎn)。

在條件剛好時(shí)，這樣的雙星系統(tǒng)可以產(chǎn)生一顆中子星——一種只有20公里直徑卻和太陽(yáng)一樣重的星體——，中子星以每秒上百圈的速度自轉(zhuǎn)著。由于其高速旋轉(zhuǎn)和強(qiáng)引力場(chǎng)，中子星可以充當(dāng)一個(gè)天然粒子加速器：它們可以將粒子以高速向太空中發(fā)射。

這些高能粒子則產(chǎn)生了伽馬射線。我們發(fā)現(xiàn)人馬座矮星系中的毫秒脈沖星是蠶繭的最終來(lái)源。

搜尋暗物質(zhì)

我們的發(fā)現(xiàn)對(duì)另一種理論帶來(lái)了曙光：將毫秒脈沖星作為其它古老恒星系統(tǒng)中伽馬射線的來(lái)源。但同時(shí)，它也標(biāo)志著從銀河系的衛(wèi)星星系中尋找暗物質(zhì)證據(jù)是不可能的。在這些星系中，毫秒脈沖星帶來(lái)的伽馬射線強(qiáng)度比此前預(yù)計(jì)的高。因此，它們產(chǎn)生的任何信號(hào)都不能含糊地認(rèn)為是暗物質(zhì)導(dǎo)致的。但對(duì)暗物質(zhì)的尋找仍然會(huì)繼續(xù)。

BY:Roland Crocker

FY: DX3906

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