苗千

在阿根廷西部的門多薩省，3000平方公里的土地上，分布著1660個(gè)粒子探測(cè)器，在每一個(gè)探測(cè)器中都裝有1.2萬(wàn)升超高純度的水——這就是皮埃爾·奧杰天文臺(tái)（Pierre Auger Observatory）的粒子探測(cè)裝置。來(lái)自18個(gè)國(guó)家的超過(guò)400位天文學(xué)家正是通過(guò)這座建于2004年的宇宙射線天文臺(tái)，將人類探索的范圍投向銀河系之外。正是在這里，經(jīng)過(guò)了十多年的工作之后，人類又發(fā)現(xiàn)了新的未知。

地球無(wú)時(shí)無(wú)刻不受到宇宙射線的轟擊。宇宙射線大多是質(zhì)子或是一些質(zhì)量更重的帶電亞原子粒子，它們的能量各不相同，來(lái)源也不盡相同。研究這些宇宙射線的來(lái)歷，是人們了解宇宙的一個(gè)重要手段。有一些能量相對(duì)較低的宇宙射線來(lái)自銀河系內(nèi)部，這些帶電粒子大多產(chǎn)生于銀河系內(nèi)的超新星爆發(fā)或是其他天體活動(dòng)，這些粒子因?yàn)闀?huì)受到銀河系磁場(chǎng)的影響，運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏轉(zhuǎn)，因此當(dāng)它們到達(dá)地球時(shí)，會(huì)顯得像是來(lái)自各個(gè)方向。還有另外一些能量極高的宇宙射線，它們的來(lái)歷以及形成原因一直困擾著天文學(xué)家。十多年來(lái)，在皮埃爾·奧杰天文臺(tái)工作的天文學(xué)家們一直希望能夠通過(guò)粒子探測(cè)解開這個(gè)謎題。

奧杰天文臺(tái)發(fā)布的宇宙射線想象圖

一些宇宙射線的能量高到令人無(wú)法理解的程度。天文學(xué)家探測(cè)到的一些帶電粒子的能量甚至可以達(dá)到在地球上最強(qiáng)大的粒子加速器內(nèi)所能達(dá)到的粒子能量的數(shù)百萬(wàn)倍。皮埃爾·奧杰天文臺(tái)的一個(gè)重要目標(biāo)就是解開這個(gè)謎題。在夜空中，利用特殊的望遠(yuǎn)鏡可能會(huì)觀測(cè)到一些宇宙射線與地球大氣層中的氮?dú)庠酉嘧菜a(chǎn)生的熒光。另一方面，當(dāng)這些高能粒子到達(dá)地球，與大氣層中的粒子發(fā)生碰撞時(shí)，會(huì)產(chǎn)生出眾多能量相對(duì)較低的粒子。在想象中這些粒子如同陣雨一樣灑落地面，面積可達(dá)數(shù)平方公里。皮埃爾·奧杰天文臺(tái)就是通過(guò)布置在地面上的眾多粒子探測(cè)器，探測(cè)這些到達(dá)地面的粒子。

對(duì)于能量最強(qiáng)的宇宙射線，尤其是質(zhì)量相對(duì)較輕的質(zhì)子，它們的運(yùn)動(dòng)軌道受到銀河系磁場(chǎng)的影響相對(duì)較小。在地面上的粒子探測(cè)器陣列接收到來(lái)自天空中的粒子信號(hào)，同時(shí)記錄下接收時(shí)間。通過(guò)這樣的方式，天文學(xué)家就可以大致計(jì)算出這些高能粒子碰撞的方向，希望可以進(jìn)而判斷出它們產(chǎn)生的機(jī)制。有人懷疑，對(duì)于具有如此高能量的帶電粒子，最有可能的來(lái)源就是銀河系中心的超巨型黑洞，經(jīng)由這個(gè)黑洞的巨大引力場(chǎng)對(duì)其進(jìn)行加速。但也有人懷疑，這些具有極高能量的帶電粒子來(lái)自銀河系之外。早在2007年，皮埃爾·奧杰天文臺(tái)的天文學(xué)家們就在《科學(xué)》雜志上發(fā)表過(guò)一篇論文《高能量宇宙射線與鄰近銀河系外天體的聯(lián)系》（Correlation of the Highest-Energy Cosmic Rays with Nearby Extragalactic Objects），論述這些最早于1962年發(fā)現(xiàn)的具有超高能量的宇宙射線可能來(lái)自銀河系外的星系。但是這篇論文在學(xué)術(shù)界引發(fā)的反應(yīng)并不一致，有人認(rèn)為這篇論文提供的證據(jù)太過(guò)牽強(qiáng)，不能令人信服。

過(guò)了10年之后，這個(gè)天文臺(tái)的科學(xué)家們又一次發(fā)表了他們的研究結(jié)果。2017年9月22日，他們共同在《科學(xué)》雜志發(fā)表論文《對(duì)于大規(guī)模各向異性高于8×1018eV宇宙射線來(lái)源方向的觀測(cè)》（Observation of a Large-scale Anisotropy in the Arrival Directions of Cosmic Rays Above 8×1018eV）。在這篇論文中，天文學(xué)家們通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析，終于用極強(qiáng)的證據(jù)表明：這些能量極高的宇宙射線來(lái)自銀河系之外。

皮埃爾·奧杰天文臺(tái)的每個(gè)探測(cè)器之間相距1.5公里。天文學(xué)家們通過(guò)這些探測(cè)器的探測(cè)結(jié)果分析最初發(fā)生碰撞的粒子的方向和能量，他們分析了從2004年到2016年，這12年間所記錄的超高能量的宇宙射線。這段時(shí)間之內(nèi)，天文臺(tái)總共探測(cè)到了32187個(gè)能量高于8×1018電子伏的粒子，然后通過(guò)統(tǒng)計(jì)學(xué)方法判斷它們的來(lái)歷。

經(jīng)過(guò)計(jì)算和分析，天文學(xué)家們證明，這些能量最高的宇宙射線來(lái)源的方向并不指向銀河系的中心，而是指向了銀河系外，這說(shuō)明它們來(lái)自于更加遙遠(yuǎn)的河外星系，而這些粒子何以達(dá)到如此之高的能量，原因依然是一個(gè)謎。皮埃爾·奧杰天文臺(tái)的探測(cè)范圍可以覆蓋整個(gè)南天球以及大部分的北天球，而天文臺(tái)的探測(cè)結(jié)果顯示，這些高能量帶電粒子的方向并不平均，而是偏向于某一個(gè)固定的方向，這可能與銀河系臨近的河外星系的相對(duì)位置有關(guān)。早在2014年9月，來(lái)自夏威夷大學(xué)和里昂第一大學(xué)的科學(xué)家們就將包括銀河系在內(nèi)的大約300到500個(gè)已知的星系團(tuán)和星系群稱為拉尼亞凱亞超星系團(tuán)（Laniakea）——這個(gè)名字在夏威夷語(yǔ)中意為“無(wú)盡的天堂”。很可能就是在拉尼亞凱亞超星系團(tuán)中銀河系的某個(gè)臨近星系的某種人類尚不知曉的天體活動(dòng)，制造了這些具有超高能量的亞原子粒子，這些粒子穿越茫茫的星系，穿越星系間幾乎空無(wú)一物的宇宙空間，到達(dá)銀河系，最終與地球大氣層的粒子相撞，又被人類探測(cè)到。

很多天文學(xué)家早就猜測(cè)這些能量極高的粒子來(lái)自于銀河系外，此次關(guān)于這些粒子來(lái)源的切實(shí)證據(jù)可以說(shuō)讓很多天文學(xué)家松了一口氣，也為這個(gè)困擾了天文學(xué)家超過(guò)50年的謎團(tuán)做出了初步的解答。雖然還有太多的未知，但這個(gè)結(jié)果可以算作人類理解銀河系外星系的第一步。不只是在皮埃爾·奧杰天文臺(tái)，主要由日本政府投資，天文學(xué)家們正在擴(kuò)建在美國(guó)猶他州沙漠地區(qū)的望遠(yuǎn)鏡陣列（Telescope Array）。擴(kuò)建后的望遠(yuǎn)鏡陣列將由900多個(gè)粒子探測(cè)器組成，覆蓋面積將達(dá)到2500平方公里。通過(guò)升級(jí)后的望遠(yuǎn)鏡陣列，天文學(xué)家將可以與皮埃爾·奧杰天文臺(tái)共同探測(cè)這些宇宙射線的來(lái)源。人類進(jìn)行科學(xué)研究，有時(shí)發(fā)現(xiàn)問題與解決問題同樣重要。發(fā)現(xiàn)新的未知，往往意味著人類對(duì)于宇宙的理解又加深了一步。在這些神秘的高能宇宙射線之中，就隱藏著河外星系的秘密。

（本文寫作參考了《自然》和《科學(xué)》雜志的報(bào)道）