紫金山天文臺發現：銀河系中心有高能粒子加速器
相關論文於當地時間11月9日發表在國際知名學術期刊《自然-通訊》上，論文作者為中國科學院南京紫金山天文臺研究員黃曉淵、袁強及範壹中。
黃曉淵指出，宇宙線也是除電磁波外最為人類所知的信使粒子，為我們帶了了大量太陽系外的信息。宇宙線的研究對暗物質間接探測也極為重要，可能通向新物理。
宇宙線是起源於太陽系外的高能粒子，最終會抵達地球。此前，人們認為，銀河系宇宙線以相對平滑的宇宙線“海”狀態分布在銀河系中。
具體而言，銀河系中的宇宙線可以被超新星殘骸的沖擊波或大質量恒星的恒星風加速。這些帶電的相對論粒子隨後將在銀河磁場中擴散傳播，可能經歷再加速、對流、碰撞破碎和能量損失過程，最終導致壹個大尺度上處於近似穩衡態的宇宙線“海”，其空間分布相對比較平滑，不存在突變。
不過，宇宙線的加速源仍然有壹些不確定。
“在銀河系之內，通常認為超新星遺跡是壹類比較好的加速源候選體，但是理論研究認為超新星遺跡比較難將宇宙線加速到PeV。由於宇宙線和星際介質碰撞，可以產生伽馬射線，因此可以用伽馬射線來研究宇宙線源的性質。”黃曉淵表示。
但是要理解極高能宇宙線（TeV-PeV），需要進壹步 探索 中心分子區（CMZ）不同的發射成分。
黃曉淵和同事重分析了費米大視場望遠鏡的銀河CMZ數據，確定了壹個GeV-TeV宇宙線成分（壹個早先TeV-PeV 來源的低能成分）。作者認為，這支持了銀河中心存在高能粒子加速器的觀點。作者還發現，CMZ的宇宙線推測能量密度低於宇宙線“海”成分。他們認為這表明存在壹種屏障，阻礙粒子從宇宙線海穿透到CMZ。
“2016年，HESS實驗組分析銀心附近區域的彌散伽馬射線輻射，認為銀心黑洞過去的活動可以加速宇宙線，且可以將宇宙線加速到PeV。這是人類首次發現的可能的PeV宇宙線源。” 黃曉淵表示。該加速源很可能和銀心的超大質量黑洞的活動有關。
銀心加速宇宙線輻射的伽馬射線能譜
而此項發表的研究中，研究團隊利用費米衛星的伽馬射線數據，在更低的能量，在能譜分布和空間分布上確認了該銀心宇宙線加速源的存在。研究團隊在較低的能段認證了HESS等發現的PeV加速源的低能對應體。
“除此之外，我們比較意外的發現銀河系中彌散的宇宙線背景被阻擋了，無法傳播進入銀心附近區域。因此銀心附近的宇宙線主要由銀心過去活動所新加速的宇宙線構成。”黃曉淵表示。
研究團隊發現在銀心附近的中心分子雲區域的宇宙線能量密度比分子雲外的宇宙線“海”的能量密度更低。這意味著中心分子雲阻止了宇宙線“海”中的高能粒子穿入該區域。其物理原因可能是因為分子雲中的磁場強度更高，將宇宙線粒子屏蔽在分子雲外。
類似的磁屏蔽效應在我們的太陽系中其實早已觀測到，即宇宙線的太陽調制效應。我們的銀河系整體也類似於這樣壹個壁壘，將河外的低能宇宙線“拒之門外”。
研究團隊總結道，未來對銀河系中心的3D建模或能幫助我們理解宇宙線的起源，以及它們在銀河系中心的傳輸。
校對：張艷