特高能粒子之雨
Govert Schilling
译自SKYtonight.com，2007年11月12日
也许这是接触黑洞的又一种最佳方法：捕捉特高能粒子，它们被黑洞加速到了难以置信的能量上。现在，在阿根廷中部的Amarilla草原，每几周都会发生一次这样的事件。结果是，人们似乎刚刚解决了天体物理最大的难题之一。
根据11月9日《科学》杂志上刊登的一篇论文，Pierre Auger宇宙线观测站记录下了宇宙中能量最高的粒子，它们来自活动星系核（AGN）聚集的天区。活动星系核的能源来自特大质量黑洞。
宇宙线并不是光线。它们的成分是原子核（主要是质子），被驱动到了接近光速的速度上。其中一部分起源于太阳耀斑，其他来自银河系中超新星遗迹的激波波前磁过程。但在过去差不多45年的时间里，能量最高的宇宙线（也就是携带着1018甚至1020电子伏能量的那部分）一直是个谜。单独一个此类粒子的能量相当于发球状况良好的网球的动能。它们难以研究的部分原因是由于数量的稀少。地球大气之上，平均每个世纪才有一个特高能宇宙线粒子（UHECR）落到一平方千米的面积上（详见《天空与望远镜》杂志2003年3月号第32页）。
在这张由哈勃空间望远镜拍摄的照片上，活动星系NGC 5128明亮的核心透过浓密的尘埃带发出明亮的辐射。该星系活跃的核心也许是最靠近我们的特高能宇宙线源了。点击图片可浏览大图。图片提供：E.J. Schreier (STScI) and NASA
耗资5400万美元的Pierre Auger观测站（发音为“Au-zhay”）登场了。它位于阿根廷草原上，即将完工。它源于诺贝尔奖得主、芝加哥大学的物理学家James W. Cronin的设想，覆盖面积3000平方千米，足以每两周左右就捕获一个UHECR。24架独立的望远镜扫描着天空，寻找紫外荧光的黯淡带纹，其成因是宇宙线事件导致的氮原子电离。同时，1600架地表探测器（灌有纯水的水箱）探测着高能宇宙线撞击高层大气原子时产生的“空气簇射”次级粒子。
2004年1月，该台开始收集科学数据，此时只有750架地表探测器。自那时起，它记录下了超过100万次空气簇射，大多数都是由低能宇宙线产生的。但27次事件的成因是能量为5.7埃（1019电子伏）的电子。结合Pierre Auger不同探测器的数据，UHECR的源方向最终确定。（与低能宇宙线粒子不同，这些高能粒子粒子的轨迹几乎不会被星际磁场偏转。）
Pierre Auger的合作者包括来自17个国家、90个研究机构的37位科学家，他们在《科学》杂志上报告说，宇宙网球并非随机来自天空中的各个方向。相反，它们到来的方向与几亿光年内的活动星系核分布吻合，特别是来自1200万光年外的NGC 5128（半人马A）。Cronin在报道中说道：“这是个根本性的发现。”
德国马克斯·普朗克射电天文所的天体物理学家Peter Biermann说，他觉得Pierre Auger的结果“令人愉快地正确”。他告诉《天空与望远镜》杂志：“当我最早提出UHECR源于邻近的活动星系核，人们是相当怀疑的。随着时间的推移，这一学说成为了主要的竞争者。现在非常令人惊异的是，这被证明是正确的。”但Biermann也承认，为了让这一结果更为牢靠，还需要更多数据。
根据荷兰奈梅亨大学的天体物理学家Heino Falcke的观点，Pierre Auger的新增设备将提升观测站的灵敏度和角分辨率。Falcke及其同事正在建造射电接收机网络，可以追踪簇射电子发出的同步辐射。Falcke说：“射电波段可以每周7天每天24小时地工作。但荧光探测器只能在晴朗无月之夜使用。”
明年将作出在科罗拉多州建造第二座宇宙线观测站的财政决定。“北Pierre Auger”将比南半球的姊妹站更大。而且它还可以观测巨大的椭圆星系M87（室女A），它位于相对较近的室女星系团中，赤纬正12度。M87是此等规模与活跃程度的AGN中距离我们最近的。
Biermann非常确信，当下的结果是禁得起时间考验的。他补充道：“我们希望还能找出加速机制的物理原理。”Pierre Auger的发言人Alan Watson（来自英国利兹大学）说：“宇宙线天文学开始了。”
特约作者Govert Schilling的家乡——荷兰阿姆斯福特每一年半就会发生一次特高能宇宙线簇射。
