在位于墨西哥塞拉内格拉火山海拔 13,000 英尺的高海拔水切伦科夫 (HAWC) 天文台，研究人员正在观察银河系中一个剧烈的神秘事件。由洛斯阿拉莫斯国家实验室共同领导的国际研究小组观察到了超过 100 兆电子伏特的超高能伽马射线，首次将其起源追踪到银河系中心。

银河系核心探测到创纪录的伽马射线

洛斯阿拉莫斯物理学家、美国能源部项目首席研究员帕特·哈丁说：“这些结果让我们得以一窥银河系中心的能量，其能量比以往任何时候都高出一个数量级。”

“这项研究首次证实了银河系中被称为银河系中心脊的地方存在一个 PeVatron 超高能伽马射线源，这意味着银河系中心是宇宙中一些最极端的物理过程的发生地。”

HAWC 天文台已经收集数据七年多了。在此期间，研究人员观察到近 100 次伽马射线事件，能量超过 100 兆电子伏特。

正如 Sohyoun Yu Cárcaron 领导在《天体物理学杂志快报》上发表的一项分析中所描述的那样，这些数据可以直接研究宇宙射线与 PeVatron 的相互作用，并将其与其他观测结果进行比较，有助于确定发射过程和位置——就在银河系的中心。

宇宙中最剧烈的过程

真正的 PeVatron 本身仍是一种尚未得到充分理解的现象，但无论它以何种形式存在，这一事实都表明银河系中心存在剧烈活动。已知银河系中心区域包含一个超大质量黑洞，周围环绕着中子星和白矮星，这些白矮星会从附近的恒星中剥离物质。

该区域被浓密的气体云笼罩，温度高达数百万度，往往会阻碍对该区域的直接光学观测。

因此，观测伽马射线对于阐明在极端环境下发生的宇宙过程至关重要。超高能伽马射线源自 PeVatron 源，该源将粒子加速到能量为一千万亿电子伏特 (PeV)，比灯泡发出的光粒子强一千万亿倍。

PeVatron 产生的宇宙射线质子以超过光速 99% 的速度传播，与密集的环境气体相互作用并产生超高能伽马射线。

然而，PeVatron 的确切性质仍是一个谜。其所包含的能量指向宇宙中可以想象到的一些最剧烈的过程：恒星在超新星中死亡、恒星聚变诞生时伴随的冲击和辐射、黑洞吞噬另一个黑洞。

“很多这样的过程非常罕见，你不会想到它们会发生在我们的星系中，或者它们发生的规模与我们星系的大小无关，”哈丁说。例如，一个黑洞吞噬另一个黑洞只会发生在我们星系之外。”

切伦科夫光在粒子探测中的应用

HAWC 是一项独特的实验，旨在捕获相对较少的能够穿越星际距离到达地球的超高能伽马射线。在 Sierra Negra 火山的山坡上，有 300 个谷仓装满了水，每个谷仓的底部都装有光电倍增管探测器。

当超高能粒子到达地球大气层时，它们会分裂成大量低能粒子的空气簇射。当带电粒子以超过水相速度的速度穿过水箱时，它们会产生切伦科夫光或切伦科夫辐射，一种蓝光——这种效果有点类似于听觉音爆。

研究人员随后分析了在水箱中检测到的粒子的时间分布，以了解其中的能量情况，并推断出粒子的来源是超高能伽马射线。

定位特定的 PeVatron 站点

HAWC 天文台实验以开创性的米拉格罗实验为基础，米拉格罗实验是一座伽马射线天文台，拥有一个 500 万加仑的水池和 700 个光探测器，位于洛斯阿拉莫斯郊外的杰梅兹山。米拉格罗在 2008 年收集了数据，随后研究人员向南迁移到 HAWC 天文台，以便能够捕捉更靠近银河系中心的粒子。

研究小组计划通过一项新实验——南方广角伽马射线天文台(正在智利阿塔卡马沙漠建造)来扩展其 HAWC 天文台的发现，并缩小 PeVatron 源的具体位置。借助这个更广阔的窗口，科学家可以更近距离地观察银河系中心的奥秘。