紫金山天文台发现：银河系中心有高能粒子加速器

宇宙线是一种来自宇宙的高能粒子流，是研究众多物理和天文问题的重要信使，自1912年由Hess通过热气球发现以来，一直引起科学界的关注。

最近，中国科学院南京紫金山天文台研究者发现，银河系的中心可能存在高能粒子加速器，以及一种抑制周围宇宙线海中的射线穿过其中心分子区域的屏障。这些发现或有助于我们理解宇宙线的起源。

相关论文于当地时间11月9日发表在国际知名学术期刊《自然-通讯》上，论文作者为中国科学院南京紫金山天文台研究员黄晓渊、袁强及范一中。

“宇宙线虽然离人们的生活比较遥远，但在物理上却一直是研究的重点。在粒子加速器成熟之前，宇宙线对我们理解粒子构成起到了巨大的作用，多种基本粒子都是在宇宙线中首先发现的。”黄晓渊接受澎湃新闻（www.thepaper.cn）记者采访时表示。

黄晓渊指出，宇宙线也是除电磁波外最为人类所知的信使粒子，为我们带了了大量太阳系外的信息。宇宙线的研究对暗物质间接探测也极为重要，可能通向新物理。

宇宙线是起源于太阳系外的高能粒子，最终会抵达地球。此前，人们认为，银河系宇宙线以相对平滑的宇宙线“海”状态分布在银河系中。

具体而言，银河系中的宇宙线可以被超新星残骸的冲击波或大质量恒星的恒星风加速。这些带电的相对论粒子随后将在银河磁场中扩散传播，可能经历再加速、对流、碰撞破碎和能量损失过程，最终导致一个大尺度上处于近似稳衡态的宇宙线“海”，其空间分布相对比较平滑，不存在突变。

不过，宇宙线的加速源仍然有一些不确定。

“在银河系之内，通常认为超新星遗迹是一类比较好的加速源候选体，但是理论研究认为超新星遗迹比较难将宇宙线加速到PeV。由于宇宙线和星际介质碰撞，可以产生伽马射线，因此可以用伽马射线来研究宇宙线源的性质。”黄晓渊表示。

但是要理解极高能宇宙线（TeV-PeV），需要进一步探索中心分子区（CMZ）不同的发射成分。

黄晓渊和同事重分析了费米大视场望远镜的银河CMZ数据，确定了一个GeV-TeV宇宙线成分（一个早先TeV-PeV 来源的低能成分）。作者认为，这支持了银河中心存在高能粒子加速器的观点。作者还发现，CMZ的宇宙线推测能量密度低于宇宙线“海”成分。他们认为这表明存在一种屏障，阻碍粒子从宇宙线海穿透到CMZ。

银河系的中心（简称“银心”）一直是天文学家最为关注的天体实验室之一。银心包含有超大质量黑洞、天体以及大量暗物质等，这使得人们对银心的研究兴趣长久不衰。

“2016年，HESS实验组分析银心附近区域的弥散伽马射线辐射，认为银心黑洞过去的活动可以加速宇宙线，且可以将宇宙线加速到PeV。这是人类首次发现的可能的PeV宇宙线源。” 黄晓渊表示。该加速源很可能和银心的超大质量黑洞的活动有关。

银心加速宇宙线辐射的伽马射线能谱

而此项发表的研究中，研究团队利用费米卫星的伽马射线数据，在更低的能量，在能谱分布和空间分布上确认了该银心宇宙线加速源的存在。研究团队在较低的能段认证了HESS等发现的PeV加速源的低能对应体。

“除此之外，我们比较意外的发现银河系中弥散的宇宙线背景被阻挡了，无法传播进入银心附近区域。因此银心附近的宇宙线主要由银心过去活动所新加速的宇宙线构成。”黄晓渊表示。

研究团队发现在银心附近的中心分子云区域的宇宙线能量密度比分子云外的宇宙线“海”的能量密度更低。这意味着中心分子云阻止了宇宙线“海”中的高能粒子穿入该区域。其物理原因可能是因为分子云中的磁场强度更高，将宇宙线粒子屏蔽在分子云外。

类似的磁屏蔽效应在我们的太阳系中其实早已观测到，即宇宙线的太阳调制效应。我们的银河系整体也类似于这样一个壁垒，将河外的低能宇宙线“拒之门外”。

研究团队总结道，未来对银河系中心的3D建模或能帮助我们理解宇宙线的起源，以及它们在银河系中心的传输。