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宇宙中高能射線失蹤之謎

在宇宙中,有些天體就像一台大型的高能加速器,發射出超高能的粒子。這些高能粒子在穿過浩渺的宇宙空間到達地球之前,大多數被地球磁場和太陽風屏蔽掉了,只有極個別鑽進了設在地面的探測器中,被我們所探測到。這些天外來客叫「宇宙線」。

天外來客來自遠方還是來自近鄰?

超高能的宇宙線是目前已知的靜止質量不為零的物質中速度最快的物質。你可能想像不到這些粒子的速度有多快。在此不妨打個比方。我們知道光速是物質運動的速度極限。如果一束光從一個遙遠的星系出發,需要經過3億年才能到達地球,那麼同樣的距離讓超高能宇宙線來走,則只需要3億年加1微秒。也就是說比光僅僅慢了1微秒。你可以想像這個速度有多快!

過去科學家一直認為,這些宇宙線來自離我們上百億光年之外的星系。他們認為,這麼高能量的粒子只可能存在於高溫、高能的宇宙大爆炸初期。這一時期的宇宙因為膨脹,離我們至少已經有上百億光年的距離。但這樣一來,又產生了一個問題:這些粒子怎麼能夠到達地球的?因為宇宙空間並非是一無所有的真空,裡面充滿了大爆炸留下的微波背景輻射。這些背景輻射就像稠密的海洋,超高能粒子在其中穿行上幾億光年,速度就會大幅度下降。

這麼一來,要麼是愛因斯坦的狹義相對論錯了,要麼是我們對宇宙線的來源認識有誤。

我們不妨把宇宙線想像成子彈。子彈在空氣中穿行,射程有幾十甚至幾百米遠,但是在水裡它的速度卻減得非常快,只要半米深的水就足可把其速度降到非致命的程度。微波背景輻射對宇宙線的阻擋效果也與此相似。

直到2007年,這一謎團才算「告破」。這一年美國科學家通過分析發現,宇宙線襲來的方向與我們附近不遠的星系在天空中的位置大致符合。這就是說,宇宙線並非來自幾億光年外的遠方,而是來自離我們不到上億光年的近鄰,這點距離還不足以把它的速度降下很多。於是,那些動不動就想推翻愛因斯坦相對論的人的意圖又一次落空了。

宇宙線失蹤了!

但是一波既平,一波又起。科學家在爭論什麼樣的天體才會把粒子加速到如此驚人地步的時候,他們注意到離我們只有6000萬光年、擁有1000多個大型星系的室女座星系團。這個星系團在宇宙學家眼裡真可謂是各類天體的「博物館」,什麼稀奇古怪的天體應有盡有:黑洞、暗物質、白矮星、中子星……既然如此,不論科學家爭論宇宙線來自什麼天體,黑洞也好,中子星、暗物質也好,室女座星系團都應該有宇宙線發出來呀。可是地球上的物理學家至今還沒探測到從室女座星系團方向射來的宇宙線。該星系團的宇宙線神秘失蹤了!

如何解釋這一失蹤現象?一部分科學家認為我們的觀測數據積累得還不夠,因為到達地球的宇宙線畢竟是一種稀罕的東西,需要我們耐心等待。只要有耐心,「麵包會有的,牛奶也會有的」,因此至今沒觀測到室女座星系團的宇宙線根本算不上是什麼謎。

但是另一部分人卻沒這麼安心。他們說,雖然到達地球的宇宙線十分罕見,但就像一個人被世界上火力最猛的機槍掃射一樣,雖然沒被「有幸」打中,至少也該聽到幾顆子彈呼嘯而過呀,可是至今來自室女座星系團的「子彈」一顆都沒有,這怎能叫人睡得著覺?於是他們提出各種可能來解釋宇宙線失蹤之謎。

眾說紛紜的失蹤理論

既然宇宙線來自我們附近的星系,大多數科學家又把超大質量黑洞當作產生宇宙線的主要嫌疑對象。這是因為這些龐然大物在吸收物質的時候,掉進去的物質會一邊下落,一邊旋轉,從而在它周圍形成一個盤。盤裡的物質相互摩擦會產生高能的電場,像回旋加速器一樣,這些電場會把帶電粒子加速到極高的速度。而且,盤越大,被加速粒子最終能達到的速度也越大。

根據這種觀點,有科學家認為,室女座星系團雖然擁有很多超大質量黑洞,但它們周圍的物質盤相對比較小,不足以把粒子加速到宇宙線的水平,所以室女座星系團也許根本就沒有發射宇宙線的能力。

還有一種觀點認為宇宙線被磁場偏轉掉了。我們知道磁場對帶電粒子有偏轉作用,宇宙線大多是帶電粒子,所以它們會被磁場偏轉。於是持這種觀點的人認為,來自室女座星系團的宇宙線被銀河系外圍的強磁場偏轉了。偏轉後的宇宙線改變了方向,所以即使被我們探測到了,也不會把這筆「賬」算在室女座星系團上,而以為來自別的星系。

另外有種觀點認為,室女座星系自身的強磁場就足以束縛逃逸的粒子。

這場爭論何時能見分曉,一時還不可預測。不過天文學家並沒有就此罷休,他們總想找出確切答案,為此,他們已經開始建性能更好的望遠鏡了。


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