费米时代的河外伽马射线天空
2008年升空的费米伽玛射线空间望远镜正在为高能天文学持续带来革命性的变化。虽然自己对其伽玛暴的观测还算熟悉，之前也在站里介绍过好几次相关工作，但要论这颗高能卫星的其他发现，本人的了解还真算不上有多系统。最近读了Francesco Massaro、David J. Thompson和Elizabeth C. Ferrara即将发表在《天文学与天体物理学评论》杂志上的一篇综述，文中介绍了费米时代研究者对河外伽玛射线天空的新认识，在此作个总结。
在费米望远镜发射之前，人们对高能宇宙的整体认识大抵是由1991年发射、2000年退役的康普顿伽玛射线空间天文台提供的。在康普顿眼中，伽玛射线的天空有着惊人的多样性和活跃度，其中的主导辐射源是银盘，河外则以耀变体为主，除此之外还有大量未知的辐射源。
康普顿望远镜的COMPTEL仪器得出的1.5 MeV以上伽玛射线全天图。（图片提供：The COMPTEL Collaboration, Compton Gamma Ray Observatory, NASA）
康普顿望远镜的EGRET仪器得出的100 MeV以上伽玛射线全天图。（图片提供：EGRET Team, Compton Observatory, NASA）
与康普顿相比，费米带来的最大提升不仅仅是更高的分辨率和更宽的能段，更在于巡天效率。这颗卫星每环绕地球运行两周（相当于3小时左右），即可使用大面积望远镜LAT在数十MeV到上百GeV的伽玛射线能段以优于1角分的精度扫描全天一次。相比之下，康普顿的EGRET仪器完整的巡天需要耗时1年半，探测能段上限是30 GeV，分辨率也只有几角分到几十角分。快速巡天意味着更高效的数据采集，进而是更高的累积探测阈值以及更完整的变源监测。因此LAT发现的新辐射源是较先前有了量级的提升。
除了转瞬即逝的伽玛暴之外，费米眼中的河外高能天空也以耀变体作为主导，这类喷流直指地球的活动星系占据所有确认的河外伽玛源的绝大多数；所有这些源又都叠加在弥漫的伽玛射线背景辐射之上。虽然银河系内的脉冲星、大质量双星、新星、超新星遗迹，乃至近在咫尺的月球和太阳都是明显的伽玛源，但它们本征的辐射强度其实都不是很大，除了屈指可数的少数例外，在河外星系中是难以寻觅单个同类天体的踪迹的。这些高能伽玛射线辐射源被罗列在了费米小组公布的一部伽玛射线亮源表以及三部完整的伽玛源表中，不过最新的第三伽玛源表也只用到了前4年观测的数据。作为配套，每部伽玛源表都伴随着相应的活动星系核表一同发布，最新一版给出了1591个高银纬（银纬绝对值大于10度）活动星系核的数据，这一数字较第二版星表增加了70%，较EGRET的最终星表更是提升了7倍有余。
费米伽玛射线空间望远镜的LAT仪器在5年的观测后得出的1 GeV以上伽玛射线全天图，可见与康普顿的观测相比，精度有了显著提升。（图片提供：Fermi Large Area Telescope Collaboration）
因为非热伽玛射线源的多波段研究意义重大，这篇综述文章还涉及了低能对应天体的搜索和协同观测问题。虽然费米的LAT定位精度最高可以超过1角分，在费米第三伽玛源表中的平均精度也有6角分左右，对于高能观测来说已属不易，但这一数字比起可见光、射电或X射线望远镜的性能来说实在不值得一提，所以单纯凭借位置重合来确认对应体是不够的。其他判断指标包括非热主导（太阳可能是明亮伽玛源中少有例外，但这只是因为它的距离很近）、多波段存在成协性的光变、自转/轨道周期的一致性，还有各波段一致的辐射源尺度。在确认费米表辐射源的成协天体，尤其是成协活动星系核的过程中，这几大指标发挥了极大的作用，但需要注意的是，在数据处理过程中，费米组采取的指标相对较为保守，因此一些真正的成协性可能由此被忽略了。
以下对各类河外高能辐射源分别介绍之。
耀变体
耀变体是特大质量黑洞的一条相对论性喷流正对地球而来的活动星系核，也是所有活动星系核中最罕见的一类。这种天体以射电到TeV的全波段双峰非热辐射谱为特征，并伴以短时标剧烈光变、光学波段的高偏振度、红外波段特殊的颜色、射电波段紧凑的形态和平坦的辐射谱，还有视超光速运动。全波段能谱中的双辐射峰一般被归结为高速电子的同步辐射与康普顿散射。根据静止系中的光学波段谱线宽度，耀变体又可以分为两类，其中线宽不足5埃的称为蝎虎BL天体，而宽于5埃的叫做平谱射电类星体，简称FSRQ，二者的高能峰可能分别来自同步辐射电子自身的散射以及外场电子的散射，而外场电子又可能与规模较大的黑洞吸积盘有关。此外若干陡谱射电类星体（SSRQ）看上去也表现出了与经典耀变体类似的行为。费米望远镜的巡天工作模式让针对耀变体能谱和光变的系统性常规监测成为了可能，从而为活动星系核喷流物理的研究带来了新知。
费米关于耀变体的第一个重要发现是，这类天体在耀发时分，伽玛射线光度可以较宁静期增加千倍以上，而且伽玛射线耀发往往与低能行为相关。但这一现象并非普适，高能耀变体经常会发生短时标（短至数分钟，长至数日）的随机高能耀发，可能并无低能段的对应行为。对耀发的监测还带来了一些有趣的研究，比如B0218+357的高能引力透镜观测。而LAT较宽的覆盖能段还让它发现了耀变体高能能谱的总体变化规律，如部分平谱射电类星体几个GeV处的能谱拐折，还有一些在上百GeV以上的能段谱形格外硬的蝎虎BL天体。
平谱射电类星体4C +21.35在3个时期的多波段能谱，图中紫色虚线表示特大质量尘埃环和吸积盘的贡献。可见与2008年8月到2009年9月相比，2010年6月该耀变体的伽玛射线流量增加了差不多两个数量级。（图片提供：Dr. J. Finke）
费米新发现的耀变体红移最大达到了3.1，比之前康普顿望远镜EGRET耀变体红移小于2的范围扩展了不少，这为耀变体族群随宇宙的演化提供了线索，更高红移处高能耀变体的匮乏可能与此区域的活动星系核能谱形态有变相关。大致说来，两类耀变体的相对比例并非恒定，更晚近的时代蝎虎BL天体更多，可能正对应宇宙膨胀导致星系空间密度下降，进而是星系碰撞频率降低，难以供应需要大型吸积盘的平谱射电类星体的过程（蝎虎BL天体的吸积盘虽较平谱射电类星体为小，但中心黑洞的质量和角动量均较大，因此也可能维系住相对论性喷流）。这样的演化转而又会影响河外伽玛射线背景辐射的形态和强度，这一点在后文也会涉及。
关于耀变体的多波段行为，系统的多波段协同观测也是到了费米时代才真正变为可能的。总的来说，具有高能伽玛射线辐射的耀变体射电谱较其他同类天体更平坦，而且具备完全出乎意料的低频（不足1 GHz）成分。在耀发期间，耀变体的伽玛射线光度与频率较高的厘米波辐射正相关，但在低频波段以及亚毫米波段却找不到明显的关联，再考虑厘米波段的关联可能受到其他因素的影响，这其中的具体关系还有待进一步考察。而利用费米第二年工作期间WISE卫星的观测，综述的作者之一Massaro发现，耀变体的伽玛射线和红外光谱形态之间存在明显的相关性，这样高能耀变体可以地经由红外辐射的“颜色”与其他活动星系核区分开来。不过耀变体在可见光和X射线波段的行为并没有表现出与高能段的联系，伽玛射线的耀发也不一定伴以X射线或光学增亮。
各种星系的[3.4]-[4.6]-[12]微米波段两色图，图中红色区域与蓝色区域分别表示费米望远镜所见的平谱射电类星体和蝎虎BL天体。（图片提供：Dr. R. D’Abrusco）
所以如果说费米望远镜对耀变体的观测说明了什么，最重要的一点还是近乎套话的喷流行为多样性和复杂性。多波段观测表现出的互相不一致的光变行为已经说明，最经典的单辐射区同步辐射+逆康普顿散射过分简化，难以涵盖耀变体的全貌。而耀变体辐射区相对黑洞的位置至今不好确定，高精度VLBI成像观测认为某些耀变体的辐射源自距离黑洞较远（大于1秒差距）的区域，但针对其他两个耀变体的伽玛射线微引力透镜研究却支持辐射区靠近发出喷流的特大质量黑洞这一观点。喷流中的粒子加速过程传统上认为是通过激波实现的，但费米所见的短时标高能辐射流量却难以单纯归结给经典的一阶激波加速机制，所以又有理论家尝试引入坡印廷流、磁重联、湍流或结构化喷流效应，当然还有二阶粒子加速过程。
在康普顿时代，一条疑似的“耀变体主序”已经初步浮出了水面，它认为看上去光度越强的耀变体，辐射谱峰值能量也越高。关于这个关系是否存在，在费米时代仍旧是存在争议的。虽然理论分析表明，喷流的吸积效率和动能之间应该存在正相关，进而会产生耀变体主序，但这个统计关系的得出可能是缺乏红移测量带来的选择效应。而且基于耀变体主序估计出的河外伽玛射线背景辐射较实际更强，所以它很可能是存在问题的。但随着更多数据的采集，新的关系又浮出了水面，比如看上去蝎虎BL天体和平谱射电类星体在伽玛射线谱指数-伽玛射线光度平面上占据的区域有所不同，前者能谱较后者为硬，有人提出这可能是辐射冷却所致。个人看来，这种分布颇有点类似伽玛暴持续时标的双模分布，但这也只是外观相似而已……
耀变体同步辐射峰值频率相对康普顿支配因子的分布，图中黑色圆点表示平谱射电类星体，而红色空心圆圈表示蝎虎BL天体，紫色三角形是红移不明的天体，绿色方块是其他类型不明的活动星系核。康普顿支配因子定义为耀变体能谱两个峰值区域的光度比，对应同步辐射与逆康普顿散射成分的强度比值。（图片提供：Dr. J. Finke）
其他活动星系
除了耀变体之外，费米还在巡天数据中第一次明确辨认出了其他几类可以发出高能伽玛射线辐射的活动星系，它们在MeV到GeV能段的河外伽玛源中占据的数量是第二多的，其中又以射电光度明显超出典型值数十倍的射电星系为最（不过这一点并不具有太多意义，因为耀变体的数量还是占据绝对优势的），此外也有其他一些射电明亮的星系，如某些赛弗特星系。因为产生高能辐射所需的粒子在磁场中必然会发出非热射电辐射，伽玛射线与射电辐射的关联也在情理之中。其实从物理本质上说，射电星系跟耀变体是完全相同的，只是观测视角有别而已。要知道耀变体辐射能段偏高与相对论性喷流在视线方向上的集束效应有关，而离轴观测的普通活动星系居然也可以发出能量如此高的光子，其源区的物理过程之极端与激烈，可见一斑。
FR I型与II型星系的射电形态对比，左为3C31（I型），右为天鹅A（II型）。（图片提供：Dr. J. Finke）
根据射电形态的亮度分布，射电星系又可以分为两类，Fanaroff-Riley I型星系的射电瓣边缘较核心为暗，而Fanaroff-Riley II型星系存在射电瓣临边增亮现象，它们可以认为是蝎虎BL天体与平谱射电类星体的对应天体。在LAT的第三伽玛源表中，FR I型射电星系共列出了12个，其中不乏半人马A、M87等著名大型星系；而FR II型星系只有3个；此外可能还有两个陡谱致密射电源。一个明显的规律是，费米探测到的FR I型星系核心的射电亮度普遍较高，且一般不具有光变迹象，只有NGC 1275是例外；另外在费米的第一和第三版伽玛源表中，FR I型射电星系与蝎虎BL天体的比例几乎保持不变。这些都说明了两种活动星系核之间的内禀关联，而FR I星系缺乏光变对应离轴观测的视角，毕竟喷流才是活动星系核中变化最剧烈的区域。
对于半人马A这样的邻近射电星系，费米望远镜还成功实现了核区和延展射电瓣高能辐射的分离，这也是这颗卫星对高能河外源作出的最重要贡献之一。半人马A至今也是唯一一个在高能伽玛能段被成功分辨出延展结构的活动星系核，其驱使高能粒子运行到距离星系核如此遥远区域的机制仍不明了。不过综述特别指出，银河系内的巨型结构“费米泡”在外观上也与射电星系的巨瓣类似，虽然前者的成因尚不明朗，但其中的相似性可能会带来一些重要的线索。
半人马A的高能延展结构，左为未扣除点源的图像，右为扣除点源后的情况。（图片提供：Fermi Large Area Telescope Collaboration）
数量更少的高能FR II型星系行为更接近于快速光变的耀变体，这意味着它们的高能辐射与后者类似，应该也与喷流的内部区域有关。不过考虑此类星系具有明亮的延展射电瓣，现在还不能完全排除其伽玛射线辐射未被来自射电瓣的高能光子污染的可能性。至于陡谱致密射电源，这是一类射电频谱峰值出现在100 MHz附近的强射电源，完全埋嵌在宿主星系内，一般认为它们是大型射电星系的前身，而且更有可能是FR I型星系的前身。在LAT第三伽玛源表中，有一个陡谱致密射电源与伽玛源的成协性相对确定，但另一个疑似遭到了邻近耀变体的干扰，因此可靠性要差一些。
只有很少一些赛弗特星系能发出伽玛射线辐射，它们都是射电明亮的窄线I型赛弗特星系。这类星系的光谱中拥有狭窄的禁线，但又表现出极窄的氢元素巴耳末谱线以及强烈的铁II线，所以兼具I型与II型赛弗特星系的特征；此外还拥有极端的光变和平坦的射电谱，红外行为也与耀变体相似。在GeV能段，部分窄线I型赛弗特星系还表现出了多频率的快速光变，对应相对论性喷流的存在。这对经典活动星系核理论提出了挑战：传统观点认为，强劲的喷流只会在巨型椭圆星系中心的黑洞周围形成，但赛弗特星系通常都是旋涡星系，因此喷流的产生机制需要进一步的探讨。这其中又有一个异数——圆规星系，它是康普顿光深较大的II型赛弗特星系，在伽玛射线能段的行为也更接近于产星星系而非耀变体，只是光度要比针对产星星系的预期高很多。由于已知的非耀变体高能活动星系核数量还很少，现在还不足以得出太多的确定性结论。
普通星系与星暴星系
在普通星系中，没有了中心特大质量黑洞产生的强劲喷流，伽玛射线辐射主要来自高能宇宙线粒子与星际介质和辐射场的相互作用。对于银河系来说，100 MeV以上能段的伽玛光子来自逆康普顿散射、轫致辐射以及π介子生灭的过程，与宇宙线的起源和传播有关。将这一过程推广到河外星系上，情况也是类似。
在康普顿时代，EGRET受限于灵敏度与观测效率，只发现了大麦哲伦云这一个具有延展伽玛射线辐射的河外星系，费米在这个名单上又增加了小麦哲伦云和仙女星系，还由此限制了这几个星系的宇宙线粒子密度。相比之下，银河系的宇宙线密度是最高的。大小麦哲伦云中的伽玛射线辐射可能很大一部分都是由高能脉冲星提供的。
在LAT的视场中，M82与NGC 253这两个邻近的星暴星系也是稳定的伽玛射线源，这是人们第一次将大质量恒星的形成过程与星暴星系的高能辐射关联起来。无论是星暴星系还是前述几个本星系群内的邻近星系，其估测的宇宙线密度都与产星率正相关，说明星风与超新星爆发向星际空间释放的动能供应了宇宙线的加速过程，同时也意味着河外背景辐射有相当一部分是来自普通星系产星区贡献的。
普通星系与星暴星系的红外光度和伽玛射线光度之间的关联。（图片提供：Fermi Large Area Telescope Collaboration）
河外背景辐射
与微波背景不同，伽玛射线能段的宇宙背景辐射是由无数难以解析的河外点源以及可能的弥漫源叠加而成的，因此通过研究这种背景光，可望为伽玛射线源的分布和相对时间的演化提供重要线索，甚至还能籍此估测其他波段的背景光以及星系际磁场。在扣除了所有已知的河内河外辐射成分之后，费米望远镜探测到的河外伽玛射线背景辐射几乎呈各向同性分布，且在0.1到820 GeV的能段内都可以用300 GeV左右存在指数截断的幂律谱很好地描述，只是具体的辐射强度取决于所用的前景模型。
不过这样的背景辐射到底是只出自点源的叠加，还是也存在延展源的贡献？首先要明确的是，在100 GeV以上能段，过半的背景成分都可以被分解为已知点源，不消多说的是其中以耀变体居多。但这个问题的答案很大程度上是取决于扣除前景所用的模型的，另外背景辐射强度的估算过程也存在较大不确定性，比如产星星系的辐射模型就不像耀变体的光度函数那样确定，而各种辐射源的分布随宇宙年龄的演化也有待进一步考察。
在费米入役的第7个年头，由于有了更好的前景模型和分析手段，与早先不确定度颇大的估计不同，现在基本上可以确定，耀变体对伽玛射线能段的宇宙背景辐射作出了大多数贡献，而类型已知的星系基本上可以提供全部的河外伽玛射线背景光。这样看来，暗物质粒子湮灭一类的新物理机制可以暂时被抛到一边了，而且暗物质粒子的湮灭截面也不会太大，由此得出的截面上限与其他分析相符。
耀变体（蓝色）、射电星系（黑色阴影区）和产星星系（灰色阴影区）对宇宙伽玛射线背景辐射作出的贡献，可见这三类源得出的辐射流量与实际吻合较好，毋须引入暗物质等新物理模型。（图片提供：Prof. M. Ajello）
在伽玛射线背景辐射能谱中，300 GeV附近的指数截断要归结为伽玛光子与红外到紫外背景光子的相互作用，这一反应会导致双光子对湮灭为正负电子对，反应强度取决于参与光子的能量、低能背景的分布以及伽玛源的红移。考虑红外到紫外波段的宇宙背景辐射主要来自产星活动，因此高能观测可以用于限制低能背景，进而是宇宙产星史。由于相应的截断位于LAT的工作能段上限，对单个天体的能谱观测精度可能并不足以揭示截断的性质，所以背景辐射的集合效应更为有用。另外根据费米的观测，有研究者还第一次以较高的置信度估测出了宇宙伽玛光子视界。由此推测出的低能河外背景光与其他手段相符，增强了背景光模型的可信性。至于星系际磁场，它会影响双光子湮灭产生的电子对的运动，而电子对又会同宇宙微波背景辐射相互作用产生高能辐射，因而高能背景中也埋藏有大尺度磁场的信息。不过相关的搜索实际操作起来尚存争议，现在也还没有定论发表。
身份不明的未知源
在2000年康普顿伽玛射线天文台退役后，它的最后一版伽玛源表包括了超过一半的不明辐射源，并无可信的低能对应天体。揭秘这些未知辐射源的身份可以说是费米望远镜的首要目标之一。然而现在7年多的时间过去了，EGRET表中170个未知伽玛源的身份大半至今未决，而且在LAT最新版的伽玛源表中，未知源的数量占据了所有辐射源的三分之一，实在是有些扎眼。
在这些未知伽玛源中，有些可能只是因为低能对应天体过于暗弱，深度不足的观测难以对其进行探测而已。有的可能在其他波段还存在快速光变，因此及时的后续研究也是揭秘其真实身份所必需的，也是在很多情况下所欠缺的。如果对这些源的性质进行统计和分类，可能也有望得出其本质的线索。根据在天空中的分布情况和能谱形态，这其中的相当一部分未知源可能就是未被确定的蝎虎BL天体，其他也可能有一些疑似脉冲星。或者换句话说，高银纬的未知源更可能是耀变体，而低银纬区域不能排除脉冲星的可能性，另外高银纬天区也可能受到河内晕族天体以及近距天体的干扰。需要特别指出的是，在费米第三伽玛源表编成之时，前两版星表中的一部分未知源已经因为进行中的多波段观测变成了已知，这充分说明了后续分析的重要性。
更诱人但不靠谱程度也更高的理论就是暗物质粒子的湮灭了。但这样的信号首先应该来自银河系周边的矮椭球星系，或是远方的大型星系团，可是费米并没有在任何此类天体中发现明确的伽玛射线辐射，所以再次为暗物质模型设置了严苛的限制。如果说暗物质团块来自银河系的子晕，那么不确定度就更大了，有人已经根据数值模拟得出的子晕分布限制了暗物质粒子在某一质量范围上的湮灭截面。但是要最后确定这些未知伽玛源就是由暗物质湮灭产生的，需要进行的分析远比常规天体的证认更多。
河外伽玛射线脉冲星
临到写成此文之时，又读到了一篇报道称，利用6年的巡天结果以及最新的数据处理流程，研究者又从费米的观测中又挖掘出了第一颗河外伽玛射线脉冲星，由此河外伽玛射线的天空又增添了一道新景观。这颗名为PSR J0540-6919的脉冲星位于大麦哲伦云的著名产星区——蜘蛛星云内，虽然很早之前就被人发现了，但探测它的伽玛射线脉冲，这还是头一遭。PSR J0540-6919的年龄只有不到1700年左右，在已知脉冲星中算是年轻得反常的。它本身就为蜘蛛星云的全部伽玛射线辐射贡献了一半以上。
大麦哲伦云的蜘蛛星云伽玛射线图像，图中可见PSR J0540-6919（左）与PSR J0537-6910（右）两颗伽玛射线脉冲星。（图片提供：NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration）
另外费米还为同一星云内另一颗脉冲星PSR J0537-6910的伽玛射线脉冲强度设置了上限。这是已知转速最快的年轻脉冲星之一，自转频率高达每秒62次。也许随着观测的继续，未来利用更多（因此灵敏度也更高）的数据，研究者有望最终发现它的脉冲辐射。
