来自邻近神秘天体的宇宙线
Dr. Tony Phillips
译自Science@NASA，2008年11月19日
2008年11月19日：一个国际研究小组发现了从宇宙空间轰击地球大气的高能电子有着令人迷惑的过剩。这些宇宙线的源头是未知的，但它距离太阳系必然很近，可能是由暗物质组成的。他们的结果发表在11月20日出版的《自然》杂志上。
路易斯安那州立大学的John Wefel是论文合作者，他说：“这是个重大的发现。这是我们第一次在银河系的大背景之外看到了离散的宇宙线加速源。”
右图：艺术家笔下撞击地球高层大气的宇宙线。大图请点击（图片提供：Simon Swordy, University of Chicago）
银河系内的宇宙线粒子是被远方的超新星爆发以及其他的剧烈事件加速到近乎光速的亚原子粒子。它们从银河系涌过，成为从四面八方进入太阳系的高能粒子云。宇宙线主要由质子和重原子核组成，混合物中还搀杂着少量的电子与光子。
Wefel与同事们为了研究能量最高同时也是最有意思的宇宙线，在过去的8年中，在南极洲上空的同温层放飞了一系列气球。每次飞行的载荷都是NASA赞助的宇宙线探测器ATIC，这是先进稀薄电离量能器的缩写。小组希望ATIC可以记录下主要由质子与离子组成的常规粒子混合物，但量能器发现了一些额外的东西：过剩的高能电子。
Wefel的比喻是，这就好象是在高速公路上，有一群私家轿车、小型有蓬货车和卡车一起行驶，突然间，一群蓝博基尼赛车打破了常规的交通秩序。“你不会期待着在路上看到如此多的跑车——或是说在宇宙线混合物中看到如此多的高能电子。”2000年至2003年间，在5周的气球飞行中，ATIC在300至800 GeV的能量范围中记录下了70个额外的电子。（“额外”的意思是高于根据银河系背景推测出的常规数目。）70个电子听起来也许并不多，但这就好象是高速公路上的70辆蓝博基尼，这是非常突出的过剩。
ATIC高能电子计数。三角形的数据拟合曲线是根据一个暗物质湮灭的模型得出的，该模型的特点是含有质量在620 GeV左右的Kaluza-Klein粒子。细节可以在常进等人的论文《300至800 GeV能段的宇宙线电子过剩》中找到，论文刊登在2008年11月20日出版的《自然》杂志上。动画请点击（图片提供：NASA）
论文的合作者、NASA马歇尔太空飞行中心的Jim Adams说：“这些奇特粒子的源头距离银河系必然相对很近——不会远于几千秒差距。”
为什么粒子源一定要很近呢？Adams解释道：“高能电子在飞过银河系的时候，会很快地损失能量。它们以两条主要渠道损能：1、当与低能光子碰撞时，会发生逆康普顿散射过程；2、当环绕银河磁场运动时，会辐射一部分能量。”当电子飞行了1000秒差距后，它的能量就不再有那么高了。
因此高能电子起源于我们附近。研究小组的一些成员确信，粒子源与我们的距离可能小于几百秒差距。作为比较，旋涡星系银河系的银盘宽度约有3万秒差距。（1秒差距大约等于3光年。）
Wefel说：“可惜我们并不能在天空中定出电子源的位置。”虽然ATIC可以测量出入射粒子的方向，但很难将入射角度转化成天球坐标。这一方面是由于安放探测器的气球篮在南极上空狂乱的高空涡流风中颤动，这让指向工作很棘手。更且入射电子的方向已经由于星系磁场的作用偏折了几度。“预期ATIC能做到的最好工作就是测量整体的各向异性性质——在天空中的一边相对于另一边的情况。”
右图：ATIC宇宙线探测器飞向同温层，这里是高空研究气球的工作区域。更多飞行照片：#1 #2 #3（图片提供：Simon Swordy, University of Chicago）
不确定性给了想象力以自由空间。最不奇怪的可能性包括，举例来说，邻近的脉冲星、“微类星体”或是恒星级质量的黑洞——这些都可以将电子加速的这样的能量上。有可能有这样一个源天体在附近潜伏着，一直没有被探测到。NASA最近发射的费米伽玛射线空间望远镜刚刚开始了灵敏度足以揭示其中某些天体的巡天工作。
而更诱人的可能性是暗物质。
有一类叫做“Kaluza-Klein理论”的物理理论，希图能通过设置额外的维度将引力与其他的基本作用力统一起来。在人们熟悉的三维空间之外，可能还有多至8个的额外维度交织在我们周围的空间中。对暗物质的一种流行（但尚未被证实）的解释是，暗物质是存在于额外维度中的暗物质粒子。我们能通过引力作用来感知它们的存在，但无法以其他形式探测到它们。
这又怎样能产生过剩的宇宙线粒子呢？Kaluza-Klein粒子有个离奇的特性（只是许多特性之一），也就是它们是自身的反粒子。当两个粒子碰撞的时候，它们会彼此发生湮灭，产生高能高子与电子流。电子并不会遗失在隐藏的维度中，而会在真实世界的三维里现身，在这里的ATIC就可以将它们作为“宇宙线”探测。
Wefel说：“我们的数据可以用太阳系附近的暗物质云或是团块来解释。尤其是在620 GeV的质量附近，假设中有一种Kaluza-Klein粒子，当它们湮灭时，会产生与我们的观测能谱一致的电子。”
检测这一可能性是很重要的，因为暗物质是如此的黑暗。但通过寻找湮灭的其他产物（如伽玛射线），可能会寻找暗物质云。再一次，费米空间望远镜也许会拥有为粒子源定位的最佳机会。
Adams说：“不论它是什么，都会很吸引人的。”
关于这项研究的更多信息请阅读2008年11月20日《自然》杂志上常进等人的论文《300至800 GeV能段的宇宙线电子过剩》。
