CTAO将探测宇宙中最强大的粒子加速器

来源：中国科学报 2023-08-30 00:56:27

2018年，天文学家在加那利群岛完成了一台23米伽马射线望远镜的原型。

图片来源：AKIRA OKUMURA/CC BY-NC-ND

【资料图】

除了恒星和星系的柔和光线外，地球还从宇宙中接收到更罕见、更猛烈的信号：光子以10万亿倍于可见光的能量撞击大气层。但它们如何获得了如此巨大的能量仍是一个谜。目前，欧洲等国家将耗资3.3亿欧元建立切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO），如果一切顺利，到2026年，CTAO能够精确定位产生光子的宇宙能量源。

其他天文台已经在银河系内外观测到250多个伽马射线源。由于数10台望远镜分布在西班牙加那利群岛和智利阿塔卡马沙漠的各个地点，CTAO应该有足够的灵敏度和敏锐的视野来找到5倍多的来源，并弄清楚它们是如何运作的。

“CTAO是向前迈出的巨大一步。”德国马克斯·普朗克核物理研究所的Werner Hofmann说，“我们将能够确定加速器的机制和来源。”

对于小型太空望远镜来说，更高能量的伽马射线太罕见了——它们可能要等一年才能从明亮的光源中捕捉到一个光子。将地球大气层作为一个巨大的探测器是一个解决方案。当伽马射线照射到空气中的原子时，会产生一股粒子簇射向地面。CTAO将寻找它们触发的微弱的蓝色“切伦科夫”光，根据发光足迹的形状和亮度，天文学家可以计算出原始伽马射线的方向和能量。

切伦科夫望远镜不需要昂贵的、抛光精美的镜子就能看到近距离的空气阵雨。技术上的挑战主要是相机，它必须捕捉到极其微弱和短暂的闪光，持续时间只有十亿分之一秒。切伦科夫望远镜照相机没有使用通常的电荷耦合器件（CCD）传感器，而是依靠粒子物理学中常见的一种技术：光电倍增管，它可以放大单个光子的信号。

1989年，美国亚利桑那州的弗雷德·劳伦斯·惠普尔10米望远镜首次以这种方式探测到伽马射线，并将其追踪到超新星残骸蟹状星云。一代更大的望远镜阵列紧随其后。CTAO项目科学家Roberta Zanin说：“他们证明了切伦科夫的技术非常强大。”

CTAO将采取下一步行动，部署70多台望远镜，这些望远镜具有3种不同尺寸的分段反射镜，直径从4米到23米不等，针对不同的能量进行了优化，并分布在更广泛的区域，以更可靠地捕捉阵雨。该天文台应该能够探测到能量高达300万亿电子伏特的伽马射线，是欧洲核子研究中心大型强子对撞机加速粒子的44倍，并以现有阵列两倍的分辨率确定其来源。

超新星被认为是高能伽马射线的主要来源。当恒星爆炸产生的气体和尘埃冲击充满星际空间的稀薄蒸汽时，就会产生冲击波。“超新星遗迹是我们银河系中最有效的粒子加速器。”捷克共和国极端光基础设施光束设施的天体物理学家Anabella Araudo说，加速的粒子反过来可能产生伽马射线，例如通过与光子碰撞并增强其能量。

这些粒子本身以宇宙射线的形式到达地球，切伦科夫望远镜也可以探测到。但由于粒子是带电的，太空中的磁场会导致它们的路径弯曲，从而很难追踪到它们的来源。相比之下，伽马射线遵循直线路径。Araudo说，由于其分辨率的提高和产生伽马射线能量详细光谱的能力，CTAO的数据应该有助于完善超新星粒子加速器的理论模型。

类星体的喷流也可能产生伽马射线，银河系中心的超大质量黑洞则比类星体要安静得多，但在2010年，美国国家航空航天局的费米伽马射线太空望远镜发现，伽马射线来自银河系中心上方和下方2.5万光年的两个巨大“气泡”，这可能是过去黑洞喷射出的射流的痕迹。Hofmann说，CTAO将会寻找任何残留的喷流或其他来自黑洞的伽马射线信号。

CTAO甚至可以探测到暗物质，即构成宇宙大部分质量的神秘物质。一些提出的暗物质粒子被认为在粒子对相遇并湮灭时会爆发伽马射线。CTAO将调查低能量伽马射线的背景。Hofmann说，如果在暗物质被认为聚集的地方，比如银河系中心，背景辐射升高，那将是暗物质存在的证据。

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