宇宙線是一種來自宇宙的高能粒子流，是研究眾多物理和天文問題的重要信使，自1912年由Hess通過熱氣球發(fā)現(xiàn)以來，一直引起科學界的關注。

最近，中國科學院南京紫金山天文臺研究者發(fā)現(xiàn)，銀河系的中心可能存在高能粒子加速器，以及一種抑制周圍宇宙線海中的射線穿過其中心分子區(qū)域的屏障。這些發(fā)現(xiàn)或有助于我們理解宇宙線的起源。

相關論文于當地時間11月9日發(fā)表在國際知名學術期刊《自然-通訊》上，論文作者為中國科學院南京紫金山天文臺研究員黃曉淵、袁強及范一中。

“宇宙線雖然離人們的生活比較遙遠，但在物理上卻一直是研究的重點。在粒子加速器成熟之前，宇宙線對我們理解粒子構成起到了巨大的作用，多種基本粒子都是在宇宙線中首先發(fā)現(xiàn)的?！秉S曉淵接受澎湃新聞（m.dbgt.com.cn）記者采訪時表示。

黃曉淵指出，宇宙線也是除電磁波外最為人類所知的信使粒子，為我們帶了了大量太陽系外的信息。宇宙線的研究對暗物質間接探測也極為重要，可能通向新物理。

宇宙線是起源于太陽系外的高能粒子，最終會抵達地球。此前，人們認為，銀河系宇宙線以相對平滑的宇宙線“?！睜顟B(tài)分布在銀河系中。

具體而言，銀河系中的宇宙線可以被超新星殘骸的沖擊波或大質量恒星的恒星風加速。這些帶電的相對論粒子隨后將在銀河磁場中擴散傳播，可能經歷再加速、對流、碰撞破碎和能量損失過程，最終導致一個大尺度上處于近似穩(wěn)衡態(tài)的宇宙線“海”，其空間分布相對比較平滑，不存在突變。

不過，宇宙線的加速源仍然有一些不確定。

“在銀河系之內，通常認為超新星遺跡是一類比較好的加速源候選體，但是理論研究認為超新星遺跡比較難將宇宙線加速到PeV。由于宇宙線和星際介質碰撞，可以產生伽馬射線，因此可以用伽馬射線來研究宇宙線源的性質?！秉S曉淵表示。

但是要理解極高能宇宙線（TeV-PeV），需要進一步探索中心分子區(qū)（CMZ）不同的發(fā)射成分。

黃曉淵和同事重分析了費米大視場望遠鏡的銀河CMZ數據，確定了一個GeV-TeV宇宙線成分（一個早先TeV-PeV 來源的低能成分）。作者認為，這支持了銀河中心存在高能粒子加速器的觀點。作者還發(fā)現(xiàn)，CMZ的宇宙線推測能量密度低于宇宙線“海”成分。他們認為這表明存在一種屏障，阻礙粒子從宇宙線海穿透到CMZ。

銀河系的中心（簡稱“銀心”）一直是天文學家最為關注的天體實驗室之一。銀心包含有超大質量黑洞、天體以及大量暗物質等，這使得人們對銀心的研究興趣長久不衰。

“2016年，HESS實驗組分析銀心附近區(qū)域的彌散伽馬射線輻射，認為銀心黑洞過去的活動可以加速宇宙線，且可以將宇宙線加速到PeV。這是人類首次發(fā)現(xiàn)的可能的PeV宇宙線源。” 黃曉淵表示。該加速源很可能和銀心的超大質量黑洞的活動有關。

銀心加速宇宙線輻射的伽馬射線能譜

而此項發(fā)表的研究中，研究團隊利用費米衛(wèi)星的伽馬射線數據，在更低的能量，在能譜分布和空間分布上確認了該銀心宇宙線加速源的存在。研究團隊在較低的能段認證了HESS等發(fā)現(xiàn)的PeV加速源的低能對應體。

“除此之外，我們比較意外的發(fā)現(xiàn)銀河系中彌散的宇宙線背景被阻擋了，無法傳播進入銀心附近區(qū)域。因此銀心附近的宇宙線主要由銀心過去活動所新加速的宇宙線構成?！秉S曉淵表示。

研究團隊發(fā)現(xiàn)在銀心附近的中心分子云區(qū)域的宇宙線能量密度比分子云外的宇宙線“?！钡哪芰棵芏雀?。這意味著中心分子云阻止了宇宙線“海”中的高能粒子穿入該區(qū)域。其物理原因可能是因為分子云中的磁場強度更高，將宇宙線粒子屏蔽在分子云外。

類似的磁屏蔽效應在我們的太陽系中其實早已觀測到，即宇宙線的太陽調制效應。我們的銀河系整體也類似于這樣一個壁壘，將河外的低能宇宙線“拒之門外”。

研究團隊總結道，未來對銀河系中心的3D建模或能幫助我們理解宇宙線的起源，以及它們在銀河系中心的傳輸。