宇宙線是一種來(lái)自宇宙的高能粒子流，是研究眾多物理和天文問(wèn)題的重要信使，自1912年由Hess通過(guò)熱氣球發(fā)現(xiàn)以來(lái)，一直引起科學(xué)界的關(guān)注。

最近，中國(guó)科學(xué)院南京紫金山天文臺(tái)研究者發(fā)現(xiàn)，銀河系的中心可能存在高能粒子加速器，以及一種抑制周圍宇宙線海中的射線穿過(guò)其中心分子區(qū)域的屏障。這些發(fā)現(xiàn)或有助于我們理解宇宙線的起源。

相關(guān)論文于當(dāng)?shù)貢r(shí)間11月9日發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊《自然-通訊》上，論文作者為中國(guó)科學(xué)院南京紫金山天文臺(tái)研究員黃曉淵、袁強(qiáng)及范一中。

“宇宙線雖然離人們的生活比較遙遠(yuǎn)，但在物理上卻一直是研究的重點(diǎn)。在粒子加速器成熟之前，宇宙線對(duì)我們理解粒子構(gòu)成起到了巨大的作用，多種基本粒子都是在宇宙線中首先發(fā)現(xiàn)的?！秉S曉淵接受澎湃新聞（www.kxwhcb.com）記者采訪時(shí)表示。

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(yáng)系外的信息。宇宙線的研究對(duì)暗物質(zhì)間接探測(cè)也極為重要，可能通向新物理。

宇宙線是起源于太陽(yáng)系外的高能粒子，最終會(huì)抵達(dá)地球。此前，人們認(rèn)為，銀河系宇宙線以相對(duì)平滑的宇宙線“?！睜顟B(tài)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(zhì)量恒星的恒星風(fēng)加速。這些帶電的相對(duì)論粒子隨后將在銀河磁場(chǎng)中擴(kuò)散傳播，可能經(jīng)歷再加速、對(duì)流、碰撞破碎和能量損失過(guò)程，最終導(dǎo)致一個(gè)大尺度上處于近似穩(wěn)衡態(tài)的宇宙線“?！?，其空間分布相對(duì)比較平滑，不存在突變。

不過(guò)，宇宙線的加速源仍然有一些不確定。

“在銀河系之內(nèi)，通常認(rèn)為超新星遺跡是一類比較好的加速源候選體，但是理論研究認(rèn)為超新星遺跡比較難將宇宙線加速到PeV。由于宇宙線和星際介質(zhì)碰撞，可以產(chǎn)生伽馬射線，因此可以用伽馬射線來(lái)研究宇宙線源的性質(zhì)?！秉S曉淵表示。

但是要理解極高能宇宙線（TeV-PeV），需要進(jìn)一步探索中心分子區(qū)（CMZ）不同的發(fā)射成分。

黃曉淵和同事重分析了費(fèi)米大視場(chǎng)望遠(yuǎn)鏡的銀河CMZ數(shù)據(jù)，確定了一個(gè)GeV-TeV宇宙線成分（一個(gè)早先TeV-PeV 來(lái)源的低能成分）。作者認(rèn)為，這支持了銀河中心存在高能粒子加速器的觀點(diǎn)。作者還發(fā)現(xiàn)，CMZ的宇宙線推測(cè)能量密度低于宇宙線“?！背煞帧Ｋ麄冋J(rèn)為這表明存在一種屏障，阻礙粒子從宇宙線海穿透到CMZ。

銀河系的中心（簡(jiǎn)稱“銀心”）一直是天文學(xué)家最為關(guān)注的天體實(shí)驗(yàn)室之一。銀心包含有超大質(zhì)量黑洞、天體以及大量暗物質(zhì)等，這使得人們對(duì)銀心的研究興趣長(zhǎng)久不衰。

“2016年，HESS實(shí)驗(yàn)組分析銀心附近區(qū)域的彌散伽馬射線輻射，認(rèn)為銀心黑洞過(guò)去的活動(dòng)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(fā)現(xiàn)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(zhì)量黑洞的活動(dòng)有關(guān)。

銀心加速宇宙線輻射的伽馬射線能譜

而此項(xiàng)發(fā)表的研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用費(fèi)米衛(wèi)星的伽馬射線數(shù)據(jù)，在更低的能量，在能譜分布和空間分布上確認(rèn)了該銀心宇宙線加速源的存在。研究團(tuán)隊(duì)在較低的能段認(rèn)證了HESS等發(fā)現(xiàn)的PeV加速源的低能對(duì)應(yīng)體。

“除此之外，我們比較意外的發(fā)現(xiàn)銀河系中彌散的宇宙線背景被阻擋了，無(wú)法傳播進(jìn)入銀心附近區(qū)域。因此銀心附近的宇宙線主要由銀心過(guò)去活動(dòng)所新加速的宇宙線構(gòu)成?！秉S曉淵表示。

研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在銀心附近的中心分子云區(qū)域的宇宙線能量密度比分子云外的宇宙線“?！钡哪芰棵芏雀?。這意味著中心分子云阻止了宇宙線“?！敝械母吣芰Ｗ哟┤朐搮^(qū)域。其物理原因可能是因?yàn)榉肿釉浦械拇艌?chǎng)強(qiáng)度更高，將宇宙線粒子屏蔽在分子云外。

類似的磁屏蔽效應(yīng)在我們的太陽(yáng)系中其實(shí)早已觀測(cè)到，即宇宙線的太陽(yáng)調(diào)制效應(yīng)。我們的銀河系整體也類似于這樣一個(gè)壁壘，將河外的低能宇宙線“拒之門外”。

研究團(tuán)隊(duì)總結(jié)道，未來(lái)對(duì)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?cè)阢y河系中心的傳輸。