神秘的超高能伽马射线，宇宙最古老的光，二者有什么联系？

超高能伽马射线可能揭露宇宙极早期的演化过程

这张照片显示了银盘（红色）和神秘的伽马射线信号（紫色圆圈）图源：NASA戈达德航天中心

天文学家发现了一个未知的，预期外的伽马射线信号，该信号源于银河系外。

NASA和马里兰大学宇宙学家亚历山大·卡什林斯基在搜寻NASA费米望远镜（Fermi Telescope）13年的数据后，发现了这个奇怪的伽马射线信号。

“这是一个完全偶然的发现” 卡什林斯基在一份声明中说道，“在我们寻找的天区之外，我们找到了一个比预期强很多的信号。”

更奇怪的是，这个伽马射线与宇宙中最大的未解之谜——宇宙中超高能粒子的来源有关。

该团队认为这个伽马信号射线源于高能粒子，或宇宙射线有关。它们主要由质子、中子和原子核组成。

比起普通的伽马射线，这些超高能宇宙射线（ultra-high-energy cosmic ray, UHECRs）携带了超过其100亿倍的能量，而它们的来源仍然是一个未解之谜——这次的伽马射线信号好像更加坐实了这个谜团。

寻找“宇宙化石”带来了伽马射线的意外发现

这次新发现的伽马射线的特性与宇宙射线（cosmic background radiation, CMB）的某个特性十分相似。

CMB是宇宙中最古老的光，它的产生源于一场在宇宙诞生后38万年的事件。在那之前，宇宙是一锅炽热的“粒子汤”，光不能在其中自然穿行。

大约在这个时候，宇宙冷却到了这样一种地步——电子和质子可以结合在一起而形成原初原子。突然消失的电子让光子有了自由穿行的空间。

此时，宇宙从不透明突然转变成了透明，而这些自由穿行的光子就是人类现在观测到的CMB。

随着宇宙的不断膨胀，这些光子也开始损失它们本身的能量。现在这些光子的温度达到了-270摄氏度（2.78开尔文）。

CMB是由两位射电工程师——阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊羽于1964年5月发现的，他们发现有一个微波辐射就像笼罩了地球一样，类似于一个背景——微波背景辐射因此得名。他们当时认为，CMB的温度应该在各个方向上是相同的，但是在20世纪90年代，NASA的COBE卫星挑战了这个模型，COBE卫星发现了CMB的温度在不同方向上有微小的变化。

COBE发现在狮子座方向，CMB比平均温度高0.12%，在其反方向，CMB温度比平均温度低0.12%，其流量也更少。

这个“两级”的规律被认为是太阳系本身的运动带来的，相对于CMB的速度为370公里每秒。但是，如果太阳系在朝着宇宙的一个方向运动，那么其他所有的星光都应该呈现类似于CMB的“两级”性质，但是目前这种推测并没有被证实。天文学家正在寻找其他能证明CMB“两级”性是太阳系运动的证据。

“这样的测量是很重要的，因为CMB‘两级’性质的不同可能帮助我们了解极早期宇宙，甚至可能达到宇宙诞生后千亿分之一秒的状态，” 团队成员西班牙萨拉曼卡大学理论物理学家费尔南多·阿特里奥-巴兰德拉说。

一个还是两个宇宙之谜？

该团队将目光转向了费米望远镜和它携带的大面积望远镜（Large Area Telescope, LAT），该望远镜在一天内会进行多次巡天任务， 而LAT又不断运行了很多年。研究人员希望LAT的数据可能会藏有伽马射线信号的“两级”性质。

由于狭义相对论和伽马射线的高能状态，这种“两级”性质应该比CMB的明显五倍。该团队找到了这种“两级”性质，但是并不是他们所预计的那样。

“我们找到了伽马射线的‘两级’，但是它的极大位于南天，与CMB的极大相隔甚远，其强度是我们预期的10倍。”克里斯·施兰德，天主教大学天体物理学家，一位团队成员说。“虽然这不是我们所寻找的，但是我们怀疑这与高能宇宙射线的一个相似特性有关。”

包含UCHERs的高能带电粒子是具有与CMB的“两级”性的，这最初被阿根廷的皮埃尔·奥古尔（Pierre Auger Observatory）天文台于2017年发现。

虽然这些带电粒子在向地球运行时被银河系和其他星体的磁场偏转了，而偏转的方向与磁场的强度有关，但是UCHERs的“两极”还是位于一个与最新发现的伽马射线信号十分靠近的地方。

该团队认为，因为这个位置上的相似性，UCHERs和本次发现的伽马射线信号很有可能是相关的，特别是考虑到一个未知的信号源可能同时产生两种信号（UCHERs和本次发现的伽马射线）。

天文学家现在想研究高能光子和高能粒子的发源地，从而确定其源头（或多个源头），进而验证二者是否相关，它们是代表着同一个问题还是两个完全不同的问题。

该团队的发现在第243次天文学会的会议中被正式发表，该团队在《天文物理期刊》上发表了一篇相关论文

BY: Robert Lea

FY: Chen Li

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