就是要問你從哪來!科學家首破解,超高能宇宙射線來自銀河系外

作者 | 發布日期 2017 年 09 月 25 日 16:00 | 分類 天文 , 自然科學 follow us in feedly

超高能宇宙射線到底從哪來?困擾了科學家 50 多年的謎底終於有解了!一個國際大型天文團隊耗時 12 年,首次找到明確證據,證明轟炸地球的「超高能宇宙射線」是來自銀河系之外。



天文學家卡爾·薩根曾說過:「我們 DNA 中的氮、我們牙齒中的鈣、我們血液中的鐵、我們蘋果餡餅中的碳,都是在塌陷的恆星內部製成的。我們都只是宇宙的塵埃。」簡單來說,如果有朝一日我們能夠理解宇宙射線及起源,就同樣可以幫助了解宇宙、星系、甚至是人類自身的根本。

宇宙射線是來自外太空的帶電高能次原子粒子,半個世紀以來,科學家們一直未能解讀出最強大的射線來自何方。超高能宇宙射線的能量範圍可以從 10 ~10 20 電子伏特(比 1 億兆還要高);或者說,比世上最大的人造粒子加速器「大型強子對撞機(LHC)」粉碎質子的能量還要高出 1,000 萬倍。

由於沒有任何標準的超新星、脈衝星或黑洞能將粒子加速到如此巨大的能量,更沒有人可以確定哪些因素會導致粒子變得如此精力充沛,因此科學家被這類射線困擾逾 50 年,其來源和機制一直是高能天體物理學最難解的謎之一。

要辨識超高能宇宙射線來源還有一個大障礙,在於科學家難以弄清其實際存在什麼粒子,因為它們在來到地球的途中會和星際物質碰撞產生衍生宇宙線(二次粒子),然後與地球大氣層分子相撞,最後數十億個分子在空中化成一場基本粒子雨,以近乎光速的速度下降。

▲ 超高能宇宙射線穿透大氣層時化成粒子雨。(Source:皮埃爾·奧格天文台

為了檢測宇宙射線,一個由 18 個國家、400 位科學家組成的國際天文團隊利用阿根廷的皮埃爾·奧格天文台,耗費 12 年時間收集、觀察超過 3 萬種最有活力的高能粒子,並在天空中擬繪分布圖,果然發現這些粒子雖然在整個天空並不均勻分佈,但有很高比例是源自同一方向。

皮埃爾·奧格天文台是目前世上最大的宇宙射線觀測台,1,600 個探測箱陣列在阿根廷大草原上一字排開,每個探測箱裝著 12 噸的水,總佔據 3,000 平方公里,比香港還大。這些探測箱能捕捉帶電粒子通過介質水時發射的電磁衝擊波(Cherenkov light,切倫科夫光),研究人員將來自許多探測箱的訊息綜合起來,就能找到原始宇宙射線的方向並確定它們來自何方。

如果超高能宇宙射線的來源是銀河系,那麼路徑應該指向銀河系中心的超大質量黑洞,然而研究人員發現,超高能量宇宙射線主要來自距離銀河系核心方向約 120 度的大面積天空。 至此,科學家終於相信超高能宇宙射線來自銀河系外,雖然還是不知道什麼會產生這些射線、射線具體到底來自哪些星系,但可以想見的是,將有一堆論文接踵而來。

美國內布拉斯加州-林肯大學物理學家格雷戈里·斯諾(Gregory Snow)說,超高能粒子只能源於「極度暴力」的天體物理現象,這代表銀河系之外的某些星系中心存在極令人震撼的超大質量黑洞。合著者荷塞·貝利多(Jose Bellido)則表示,也可能是星系相撞造成的巨大衝擊。這項研究發表在《科學》期刊。

(首圖來源:影片截圖)