位于阿根廷的皮埃尔·奥杰天文台最终获得了确凿的证据，表明自然界中能量最高的粒子来自银河系以外的来源。科学家们对此已经怀疑了几十年，但直到现在才能够证实。
“我们首次获得了证据，证明最高能量的宇宙射线起源于银河系外，”英国天文学家和天文台联合创始人艾伦·沃森说。对于研究人员来说，这个结果是一种安慰，此前皮埃尔·奥杰合作组织十年前就其起源提出的说法后来被证明为时过早。
这个国际团队分析了12年来的数据，发现能量较高范围内的粒子更可能来自银河系盘以外的天空区域。研究人员在9月22日出版的《科学》杂志上报告称，这种不对称性与邻近星系的分布大致一致。
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这项研究没有 pinpoint 宇宙射线的个体来源，也没有解释它们如何达到最高能量。但研究人员希望这是朝着理解其起源迈出的第一步。
隐形阵雨
大多数宇宙射线是质子或其他带电粒子，包括重达铁的原子核。当这样的粒子雨点般落在地球高层大气层并与空气中的原子核碰撞时，它会产生亚原子粒子的弹片爆发。这些碎片撞击其他原子核并产生更多粒子，从而产生一种隐形的“阵雨”，当它到达地面时，通常会 spread 超过许多平方公里。
为了探测这些阵雨，皮埃尔·奥杰天文台设置了1600个汽车大小的水箱，间隔1.5公里，覆盖了阿根廷门多萨省 3000 平方公里的草原。四组望远镜监测着阵列上空的天空，并且——在没有月亮的夜晚——可以探测到阵雨产生的紫外线闪光。从其相对靠近赤道的位置，该阵列可以接收来自整个南半球天空以及大部分北半球天空的宇宙射线，覆盖 85% 的天球。
天文台需要如此之大，才能捕捉到足够多的最令人垂涎的粒子。已探测到的宇宙射线能量超过 1020 电子伏特 (eV)；相比之下，位于瑞士日内瓦附近的世界上最大的粒子加速器大型强子对撞机将质子推至仅 7 × 1012 eV。然而，宇宙射线的能量越高，就越稀有。在 1020 eV 范围内，一个粒子平均每世纪才撞击地球一平方公里一次。
研究人员查看了天文台从 2004 年开始到 2016 年探测到的 32,187 个能量高于 8 × 1018 eV 的粒子。银河系的磁场会弯曲带电粒子的路径，这可能会在它们撞击地球时随机化其方向。但这些粒子仍然比平均水平更有可能来自天空的特定区域，该区域位于银河系盘之外。
令人惊讶的偏斜
大多数研究人员预计会出现偏斜，但没想到会如此强烈，法国奥赛 CNRS 核物理研究所的天体粒子物理学家 Piera Ghia 说，他帮助协调了数据分析。威斯康星大学麦迪逊分校的天体物理学家弗朗西斯·哈尔岑对此表示赞同。“这真的非常大。对我来说，这是一个惊喜，”哈尔岑说，他是南极冰立方中微子天文台的发言人。
在考虑磁偏转时，皮埃尔·奥杰天文台观测到的不对称性与距离银河系约 90 兆秒差距（约 3 亿光年）范围内的星系分布相符，阿根廷圣卡洛斯-德巴里洛切 Balseiro 研究所的奥杰天体物理学家 Silvia Mollerach 说。
结果强烈反对银河系中心的超大质量黑洞作为高能粒子的主要来源。“最可能的来源仍然是常见的嫌疑对象，”Mollerach 说：天体物理现象，产生极其强烈的磁场，带电粒子可以在其中像弹球一样弹跳并获得能量。这些包括活动星系核——以接近光速喷射物质射流的超大质量黑洞——以及被称为 γ 射线暴的恒星爆炸。
与合作组织在 2007 年提出的一个说法相比，最新的说法相当保守。那时，它发现了截至当时观测到的 27 个极高能量宇宙射线（高于 57 × 1018 eV）与一组已知的活动星系核之间存在关联。这篇论文引起了轰动，但结果的统计意义很弱，并且随着阵列收集更多数据，很快就消失了。“回想起来，我们过早发布是一个错误，”奥杰发言人、德国伍珀塔尔大学物理学家卡尔-海因茨·坎珀特说。
坎珀特说，这一次，该团队没有冒险：它积累了更多的数据，并确信结果是可靠的。哈尔岑表示赞同。“我认为最新的结果的统计意义是毋庸置疑的，”他说。
既然研究人员有了更多数据，他们将再次尝试寻找与潜在来源的关联。该项研究的结果应该会在几个月内公布。该合作组织还计划与犹他州的一个较小的天文台——望远镜阵列——联手，尝试绘制整个天空宇宙射线的起源图。
皮埃尔·奥杰天文台也正处于耗资 1200 万美元的升级的初始阶段，这将使其能够更好地测量宇宙射线流中质子和较重原子核的相对丰度。
本文经许可转载，并于2017年9月21日首次发表。