銀河外的低能宇宙線為何被“拒之門外”

宇宙線是在極端天體環境中產生的高能帶電粒子，是研究眾多物理和天文問題如粒子加速、星際介質湍動屬性、星際磁場等的重要信使, 是人類觀察宇宙的重要窗口。

近期，中國科學院紫金山天文臺（以下簡稱紫金山天文臺）研究員黃曉淵、袁強和范一中利用費米衛星的伽馬射線數據，研究了銀河系的中心（以下簡稱銀心）附近區域的宇宙線分布。相關研究成果11月9日在線發表于《自然·通訊》。

科研人員介紹，宇宙線在源區被加速至相對論性能量，之后將在銀河系磁場中擴散傳播，并且經歷碰撞碎裂和能量損失等過程。這樣的傳播過程將使得銀河系中存在一個大尺度上處于近似穩衡態的宇宙線“海”，其空間分布相對比較平滑，不存在突變。

而在宇宙線加速源附近，其尺度相對銀河系較小，新加速的宇宙線將疊加在一個近似常數的背景上，形成一些局部的“熱斑”。宇宙線和星際介質碰撞可以產生伽馬射線，因此可以通過伽馬射線來研究宇宙線的起源和傳播等性質。

長期以來，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、林林總總的天體以及預期存在的大量暗物質等，這使得人們對銀心的研究興趣長久不衰。

2016年，H.E.S.S.（高能立體系統，位于納米比亞的切倫科夫望遠鏡陣列）通過觀測銀心附近的彌散伽馬射線輻射，發現銀心存在持續的宇宙線加速現象，且可以將宇宙線加速到PeV（1PeV=1000萬億電子伏特）能量，該加速源很可能和銀心的超大質量黑洞的活動有關。   最近，紫金山天文臺的研究團隊在較低的能段認證了H.E.S.S.等發現的PeV加速源的低能對應體。

研究顯示，在能譜分布上，費米衛星的測量結果與H.E.S.S和MAGIC的甚高能觀測結果自然銜接為一個冪律譜；在空間分布上，費米數據給出的冪率分布指數與H.E.S.S和MAGIC在較高能段中測得的冪指數一致。這些一致的特征支持了銀心宇宙線源的存在，也說明該宇宙線源可以有效地加速橫跨多個能量段的高能粒子。

此外，該研究團隊還發現在銀心附近的中心分子云區域的宇宙線能量密度比分子云外的宇宙線“海”的能量密度更低。這意味著中心分子云扮演著一個壁壘的角色，有效阻止了宇宙線“海”中的高能粒子穿入該區域。

據了解，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太陽系中其實早已觀測到，即宇宙線的太陽調制效應。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”。