来自银河系外的最高能量宇宙射线

　　宇宙射线是一种以接近光速的速度穿过太空的原子核。低能宇宙射线来自银河系——我们自己的星系，那么，最高能量的宇宙射线来自哪里呢？自从50年前首次发现最高能量的粒子以来，它的起源一直是科学研究人员争论的焦点：它们究竟是来自太阳系还是其他遥远的外星系？

　　现在，通过研究3万次宇宙射线粒子，这些粒子的能量比大型强子对撞机（LHC）中加速的质子的能量大一百万倍，关于最高能量的宇宙射线的起源问题终于有了答案。从2004年到2016年，研究人员在最大的宇宙射线天文台——阿根廷的皮埃尔·奥格天文台（the Pierre Auger Observatory）中发现了它们。根据粒子到达方向的分析表明，这些宇宙射线流来自与银河系中心成120度夹角的天空区域，能量比完全均匀的射线流高出约6%。这个方向说明这些最高能量粒子必定与银河平面或者银河中心之一存在潜在联系，这提供了第一个令人信服的证据，证明这些宇宙射线来自银河系外。

　　这些非常高能的宇宙射线（超过2焦耳）的流量大约是每年每一平方公里存在一个粒子。宇宙射线与上层大气中的分子碰撞会产生超过100亿个二次粒子，也就是空气簇射。这些二次粒子到达地面后，它们覆盖的区域面积超过40平方公里。皮埃尔·奥格天文台在阿根廷潘帕斯草原（pampas）上利用一系列探测器来探测这些二次粒子（电子、光子和μ介子），探测器个数高达1600，每个探测器就像一个纯水贮水池，间隔1.5公里，总占地面积3000平方公里，略大于卢森堡（Luxembourg）。通过比较不同探测器上粒子达到的时间，我们就可以确定产生空气簇射的宇宙射线粒子是从哪里来的。

　　这一发现清楚地表明了这些宇宙射线来源于银河系外，因为在天空中观测到的模式只有五万分之一的概率是偶然的。然而，由于这些宇宙射线最明亮的区域覆盖了一大片天空，而星系的数量又相对较多，因此，这项研究还没能成功地准确确定这些宇宙射线的来源。此外，银河系的磁场也会导致这些带电粒子的运动路径发生偏转，这让研究人员定位它们的来源变得更加困难。

　　有些宇宙射线的能量甚至比这次探测到的宇宙射线的还要高，它们的缺点是数量少、不常见、难以探测到，不过优势在于因银河系磁场的存在导致运动路径的偏转角度没有那么大。因此，它们到达的方向可能更加准确地代表它们起源的地方。2007年，一项早期研究指出，活跃的星系核与最高能量宇宙射线的到达方向之间存在一定的关联，但是后来通过探测发现这一相关性并不是很重要。目前，相关研究人员正在对更多的超高能宇宙射线样本进行研究，或许也能提供一些答案。与此同时，皮埃尔·奥格天文台也正在进行升级计划，做到更容易识别宇宙射线粒子的来源。

　　来自18个国家的400名科学研究人员参与了皮埃尔·奥格合作项目（Pierre Auger Collaboration），共同开发并运行了同一名称的天文台——皮埃尔·奥格天文台，其主要法国资助机构是法国国家科学研究中心（CNRS）。

　　以下法国的实验室为这个合作项目做出了贡献：

　　l 核物理研究所(法国国家科学研究院/巴黎第十一大学)；

　　l 核物理和再生的实验室(法国国家科学研究院/巴黎第六大学/巴黎第七大学)；

　　l 亚原子物理和宇宙学实验室(法国国家科学研究院/格勒诺布尔大学/格勒诺布尔国立理工学院)。

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