CTAO將探測宇宙中最強大的粒子加速器
時間：2023-08-29 03:22:26
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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。
(資料圖)
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。
CTAO甚至可以探測到暗物質，即構成宇宙大部分質量的神秘物質。一些提出的暗物質粒子被認為在粒子對相遇并湮滅時會爆發伽馬射線。CTAO將調查低能量伽馬射線的背景。Hofmann說，如果在暗物質被認為聚集的地方，比如銀河系中心，背景輻射升高，那將是暗物質存在的證據。
