CTAO將探測宇宙中最強大的粒子加速器

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2018年，天文學家在加那利群島完成了一臺23米伽馬射線望遠鏡的原型。

圖片來源：AKIRA OKUMURA/CC BY-NC-ND

除了恒星和星系的柔和光線外，地球還從宇宙中接收到更罕見、更猛烈的信號：光子以10萬億倍于可見光的能量撞擊大氣層。但它們如何獲得了如此巨大的能量仍是一個謎。目前，歐洲等國家將耗資3.3億歐元建立切倫科夫望遠鏡陣列天文臺（CTAO），如果一切順利，到2026年，CTAO能夠精確定位產生光子的宇宙能量源。

其他天文臺已經在銀河系內外觀測到250多個伽馬射線源。由于數10臺望遠鏡分布在西班牙加那利群島和智利阿塔卡馬沙漠的各個地點，CTAO應該有足夠的靈敏度和敏銳的視野來找到5倍多的來源，并弄清楚它們是如何運作的。

“CTAO是向前邁出的巨大一步。”德國馬克斯·普朗克核物理研究所的Werner Hofmann說，“我們將能夠確定加速器的機制和來源。”

對于小型太空望遠鏡來說，更高能量的伽馬射線太罕見了——它們可能要等一年才能從明亮的光源中捕捉到一個光子。將地球大氣層作為一個巨大的探測器是一個解決方案。當伽馬射線照射到空氣中的原子時，會產生一股粒子簇射向地面。CTAO將尋找它們觸發的微弱的藍色“切倫科夫”光，根據發光足跡的形狀和亮度，天文學家可以計算出原始伽馬射線的方向和能量。

切倫科夫望遠鏡不需要昂貴的、拋光精美的鏡子就能看到近距離的空氣陣雨。技術上的挑戰主要是相機，它必須捕捉到極其微弱和短暫的閃光，持續時間只有十億分之一秒。切倫科夫望遠鏡照相機沒有使用通常的電荷耦合器件（CCD）傳感器，而是依靠粒子物理學中常見的一種技術：光電倍增管，它可以放大單個光子的信號。

1989年，美國亞利桑那州的弗雷德·勞倫斯·惠普爾10米望遠鏡首次以這種方式探測到伽馬射線，并將其追蹤到超新星殘骸蟹狀星云。一代更大的望遠鏡陣列緊隨其后。CTAO項目科學家Roberta Zanin說：“他們證明了切倫科夫的技術非常強大。”

CTAO將采取下一步行動，部署70多臺望遠鏡，這些望遠鏡具有3種不同尺寸的分段反射鏡，直徑從4米到23米不等，針對不同的能量進行了優化，并分布在更廣泛的區域，以更可靠地捕捉陣雨。該天文臺應該能夠探測到能量高達300萬億電子伏特的伽馬射線，是歐洲核子研究中心大型強子對撞機加速粒子的44倍，并以現有陣列兩倍的分辨率確定其來源。

超新星被認為是高能伽馬射線的主要來源。當恒星爆炸產生的氣體和塵埃沖擊充滿星際空間的稀薄蒸汽時，就會產生沖擊波。“超新星遺跡是我們銀河系中最有效的粒子加速器。”捷克共和國極端光基礎設施光束設施的天體物理學家Anabella Araudo說，加速的粒子反過來可能產生伽馬射線，例如通過與光子碰撞并增強其能量。

這些粒子本身以宇宙射線的形式到達地球，切倫科夫望遠鏡也可以探測到。但由于粒子是帶電的，太空中的磁場會導致它們的路徑彎曲，從而很難追蹤到它們的來源。相比之下，伽馬射線遵循直線路徑。Araudo說，由于其分辨率的提高和產生伽馬射線能量詳細光譜的能力，CTAO的數據應該有助于完善超新星粒子加速器的理論模型。

類星體的噴流也可能產生伽馬射線，銀河系中心的超大質量黑洞則比類星體要安靜得多，但在2010年，美國國家航空航天局的費米伽馬射線太空望遠鏡發現，伽馬射線來自銀河系中心上方和下方2.5萬光年的兩個巨大“氣泡”，這可能是過去黑洞噴射出的射流的痕跡。Hofmann說，CTAO將會尋找任何殘留的噴流或其他來自黑洞的伽馬射線信號。