如果你被射击,潜入游泳池可能是比这更糟糕的选择。正如探索频道节目《流言终结者》曾经演示的那样,即使是几英尺深的水也能将子弹减速到非致命速度。类似的戏剧在宇宙中上演。对于移动速度超过一定速度(略低于光速)的粒子来说,弥漫在太空中的微波辐射薄雾就好比一片稠密的大海。穿过数亿光年的距离应该会将粒子的速度降至较为缓和的水平。
因此,天文学家长期以来一直困惑于为什么这些被称为超高能宇宙射线(UHECR)的粒子会撞击地球。如果它们能在太空中穿行而不损失速度,那么一定是科学家对它们的理解出了问题,或许是爱因斯坦的狭义相对论出了问题[参见乔治·穆瑟的《宇宙力量》;《大众科学》,1999年1月]。然而,去年秋天,世界上最大的宇宙射线探测器阵列,位于阿根廷的皮埃尔·奥杰天文台,将入射UHECR的方向与相当近的星系进行了匹配。如果粒子来自更遥远的源头并畅通无阻地穿过宇宙,那么这种对齐是不太可能的。看来爱因斯坦躲过了一劫。
但是这些星系究竟有什么特性使它们发射出超快粒子呢?在这方面,出现了一个新的谜团。在1月份举行的美国天文学会会议上,奥杰团队成员、芝加哥大学的瓦西里基·帕夫利杜描述了天文台如何没有观测到哪怕一个来自室女座星系团方向的UHECR,室女座星系团是由至少1000个大型星系组成的星系团,距离地球约6000万光年。你能想到的,室女座都有:黑洞、坍缩的恒星、暗物质。“无论你个人偏好哪种可能的超高能宇宙射线源,室女座都肯定有很多,”帕夫利杜说。
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来自室女座的UHECR的缺失可能只是一个统计上的偶然事件;再过一年的数据可能会带来一些发现。“我们必须耐心等待,”另一位奥杰团队成员,宾夕法尼亚州立大学的保罗·萨默斯说。“室女座可能会出现。”宇宙射线非常罕见,并且与星系可能对齐的数量非常庞大,以至于该团队对将一个数字与它们缺失的统计意义联系起来持谨慎态度。不过,如果你住在加特林机枪附近,你肯定会听到至少几颗子弹呼啸而过,不是吗?“室女座的缺失已经变得令人不安,”帕夫利杜说。
许多研究人员将这种缺失视为一个非常需要的线索,以了解超强能源可能是什么。超大质量黑洞长期以来一直是主要嫌疑对象。这些怪物聚集了围绕它们旋转的物质盘,当它们吞噬物质时,它们会喷射出快速移动的气体射流,将粒子弹射到惊人的速度。奥杰探测到UHECR的大多数星系都被认为包含活跃的吸积盘。德国波恩马克斯·普朗克射电天文研究所的彼得·比尔曼是这一假设的先驱,他将室女座的缺失归因于我们银河系外围的强磁场。这些磁场会使入射的带电粒子偏转,并可能导致来自室女座的粒子被错误地归因于其他来源。日本国家天文台的井上進表示,偏转量可能表明UHECR不是由质子组成,而是由高电荷原子核组成。
纽约大学的格伦尼斯·法拉尔和她的同事指出,室女座的超大质量黑洞往往具有尺寸过小的吸积盘。很少有黑洞产生弹射UHECR所需的能量。室女座可能是一个令人印象深刻的星系团,但在超大质量黑洞方面,它没有什么特别之处。
在其他方面,室女座也可能是一个出乎意料的微弱的超射线发生器。帕夫利杜说,星系的密集堆积可能会抑制各种可能的来源。例如,星系之间的相互作用可能会剥离气体,扼杀恒星形成并减少爆炸恒星的数量。室女座自身的磁场可能会困住试图离开星系团的粒子。
研究人员希望利用北半球的天文台来证实室女座的缺失,北半球的天文台可以更好地观测到该星系团。所谓的望远镜阵列于1月份在犹他州西部开始运行,并且计划在科罗拉多州东南部建造奥杰北部天文台。但是,天文学家知识中的一个薄弱环节与其说是宇宙射线探测,不如说是对潜在来源的普通望远镜调查。宇宙射线可以帮助天文学家理解超大质量黑洞和其他现象。它们已经从新奇事物变成了工具。