CTAO将探测宇宙中最强大的粒子加速器

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2018年，天文学家在加那利群岛完成了一台23米伽马射线望远镜的原型。

图片来源：AKIRA OKUMURA/CC BY-NC-ND

除了恒星和星系的柔和光线外，地球还从宇宙中接收到更罕见、更猛烈的信号：光子以10万亿倍于可见光的能量撞击大气层。但它们如何获得了如此巨大的能量仍是一个谜。目前，欧洲等国家将耗资3.3亿欧元建立切伦科夫望远镜阵列天文台（CTAO），如果一切顺利，到2026年，CTAO能够精确定位产生光子的宇宙能量源。

其他天文台已经在银河系内外观测到250多个伽马射线源。由于数10台望远镜分布在西班牙加那利群岛和智利阿塔卡马沙漠的各个地点，CTAO应该有足够的灵敏度和敏锐的视野来找到5倍多的来源，并弄清楚它们是如何运作的。

“CTAO是向前迈出的巨大一步。”德国马克斯·普朗克核物理研究所的Werner Hofmann说，“我们将能够确定加速器的机制和来源。”

对于小型太空望远镜来说，更高能量的伽马射线太罕见了——它们可能要等一年才能从明亮的光源中捕捉到一个光子。将地球大气层作为一个巨大的探测器是一个解决方案。当伽马射线照射到空气中的原子时，会产生一股粒子簇射向地面。CTAO将寻找它们触发的微弱的蓝色“切伦科夫”光，根据发光足迹的形状和亮度，天文学家可以计算出原始伽马射线的方向和能量。

切伦科夫望远镜不需要昂贵的、抛光精美的镜子就能看到近距离的空气阵雨。技术上的挑战主要是相机，它必须捕捉到极其微弱和短暂的闪光，持续时间只有十亿分之一秒。切伦科夫望远镜照相机没有使用通常的电荷耦合器件（CCD）传感器，而是依靠粒子物理学中常见的一种技术：光电倍增管，它可以放大单个光子的信号。

1989年，美国亚利桑那州的弗雷德·劳伦斯·惠普尔10米望远镜首次以这种方式探测到伽马射线，并将其追踪到超新星残骸蟹状星云。一代更大的望远镜阵列紧随其后。CTAO项目科学家Roberta Zanin说：“他们证明了切伦科夫的技术非常强大。”

CTAO将采取下一步行动，部署70多台望远镜，这些望远镜具有3种不同尺寸的分段反射镜，直径从4米到23米不等，针对不同的能量进行了优化，并分布在更广泛的区域，以更可靠地捕捉阵雨。该天文台应该能够探测到能量高达300万亿电子伏特的伽马射线，是欧洲核子研究中心大型强子对撞机加速粒子的44倍，并以现有阵列两倍的分辨率确定其来源。

超新星被认为是高能伽马射线的主要来源。当恒星爆炸产生的气体和尘埃冲击充满星际空间的稀薄蒸汽时，就会产生冲击波。“超新星遗迹是我们银河系中最有效的粒子加速器。”捷克共和国极端光基础设施光束设施的天体物理学家Anabella Araudo说，加速的粒子反过来可能产生伽马射线，例如通过与光子碰撞并增强其能量。

这些粒子本身以宇宙射线的形式到达地球，切伦科夫望远镜也可以探测到。但由于粒子是带电的，太空中的磁场会导致它们的路径弯曲，从而很难追踪到它们的来源。相比之下，伽马射线遵循直线路径。Araudo说，由于其分辨率的提高和产生伽马射线能量详细光谱的能力，CTAO的数据应该有助于完善超新星粒子加速器的理论模型。

类星体的喷流也可能产生伽马射线，银河系中心的超大质量黑洞则比类星体要安静得多，但在2010年，美国国家航空航天局的费米伽马射线太空望远镜发现，伽马射线来自银河系中心上方和下方2.5万光年的两个巨大“气泡”，这可能是过去黑洞喷射出的射流的痕迹。Hofmann说，CTAO将会寻找任何残留的喷流或其他来自黑洞的伽马射线信号。