中的高能粒子 作者:[澳]罗杰·柯莱-第19部分
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射线到达方向最密集位置的最明亮点，落在了CygX^3的方向上！
这能说明宇宙射线是CygX^3发射的吗？经过谨慎的分析之后指出，这个信号只能是银河系中从其他地方来的宇宙射线粒子偶然汇集于这个方向的现象。不管怎么说，这个现象发生的概率很小，大约只有1/1500的机会。就使得每个人都信服CygX^3正是高能来源说，这样的确定性水平还很不充分。另一方面，也有许多人认为，天空最热点恰好与高能天体物理中研究最多的源之一符合一致，这是非常值得认真对待的事情。艾尔伯特和索末尔斯所分析研究的蝇眼数据所覆盖的时间从20世纪80年代早期一直到1987年。就其他研究组来说，核查数据资料寻找类似信号，显然是一步重要的研究工作。
泄露给人们的是不令人满意的难以理解的结果。日本的AGASA研究组分析研究了Akeno阵列不同发展阶段所取得的数据。他们从CygX^3揭示出一个与犹他结果的强度和统计确定性相同的信号。就犹他实验的工作者和CygX^3精神的信仰者倾刻受到的鼓舞来看，这确实是一件重大新闻，但仅是昙花一现。消息很快也从A·瓦特逊（Alan Watson）和哈佛拉公园研究组传来，他们也都搜寻了蝇眼和Akeno研究组同一时期的资料，但他们没能从那个发射源找到任何信号！哈佛拉公园天空图中天空的那一部分十分单调，没有从CygX^3发出额外辐射的任何证据。对于这种奇异的不一致仍然没有舆论裁决。如果没有Akeno的观测结果，哈佛拉公园的数据会使许多人相信，犹他观测结果是统计上的侥幸事件，1/1500的聚集机会真的发生了。但是，Akeno的认可完全改变了论据，使得人们直到今天还在搔头皮。
假定CygX^3的结果是真的，就要问从它发射出来的是哪种粒子？信号出现在蝇眼和Akeno阵列接收到的最低能量3×10^17eV附近。质子以如此低的能量不可能沿直线路径穿过星系磁场。显然结论首先是，极高能量γ射线引发了这些空气簇射，使其成为曾观测到的最高能量光子。但有人在几年前提出了另一个可能性，提出者中包括密执安大学的L·琼斯（Larry Jones）。
琼斯指出，因为中子不带电荷，可以不受阻挠地穿过磁场。对于自由中子（即未被束缚在原子核中的中子）来说，惟一的问题是它会衰变掉。实际情况是，如果把一颗中子放进实验试管中，最典型的观察结果就是，在15分钟以内它会衰变成一粒质子和一粒电子！从表面上看来，中子的寿命不长，不能胜任在恒星间作长距离旅行。但是琼斯和其他人指出，如果中子以接近光速的速度运动，爱因斯坦狭义相对论中提出的时间变慢效应，能使自由中子跨越星系的旅行成为可能！对具有蝇眼能量的粒子来说，中子的时钟走得极慢，地球上15分钟等于它的30，000年。换句话说，爱因斯坦的理论预示着，如此巨大能量的中子能穿越空间3万光年距离而不衰变。CygX^3这一恒星系统与我们之间的距离比3万光年略近一些，来自CygX^3的信号认为是中子是可以接受的。这种中子有可能是发射源加速带电粒子时的副产品。令人遗憾的是，中子产生的空气簇射看来很像γ射产生的空气簇射。例如，碰巧它们引发的两种类型的空气簇射，达到最大尺度时的大气深度都在3×10^17eV能量上。所以，如果确实出现过那个信号，它的真实身份还是个谜。将来的观测实验计划中，必须设计出从γ射线簇射中鉴别出中子簇射的方法。我们期待着从CygX^3的数据资料中获得有关中子的信号。
对这个特具魅力的天体最后再说几句。自1987年以来，蝇眼一直没有观察到来自CygX^3恒星系统的任何信号。可是另一方面，Akeno研究组在20世纪90年代早期观测到它的两桩有关辐射的发射情况，都伴随有很强的射电波爆发。自从1972年9月起，CygX^3的射电能谱范围的变化剧烈，当时安大略的一台射电望远镜观测到首次爆发。该双星系统由温和的射电源一跃而成了天空最明亮的射电源之一，在几天之内射电强度增大了吓人的1000倍。前20年间观测到另外五六次射电爆发。在其中的两次爆发期间，AGASA阵列检测到了明显的宇宙射线信号。令人遗憾的是，两次的信号都不强，而且蝇眼和哈佛拉公园也没观测到。哈佛拉公园阵列于两次事件前已经关闭，而蝇眼在事件期间观测不到CygX^3。爆发出现在一年中（射电）源与太阳正处于同一侧天球上的时期，显然不能被夜晚才能工作的蝇眼检测器查觉。
CygX^3的活动激起了澳大利亚物理学家核查SUGAR阵列所记录的南天半球类似的发射源有关信号的愿望。建在新南威尔士的SUGAR阵列，看不到天鹅星座，可是能看到一些其他X射线双星。但是，SUGAR阵列确定入射的宇宙射线方向的能力并不如北方的实验那样好。悉尼的实验者们选择的是用稀疏的阵列来覆盖尽可能最大的面积。终于完成了对两个天体的探索，一个是位于南冕星座有着奇特名字2A1822371的双星。另一个是位于我们邻近星系大麦哲伦云中的类似发射源LMCX^4。两个天体在较低的能量区都发出γ射线，都看成是适宜的候选者。已知它们每个双星系统各自环绕质量中心在轨道上运行的周期分别是，1822约为6小时，LMCX^4约为14天。特别引起人们注意的是，发现来自1822和LMCX^4方向上的SUGAR数据都分别调制着相应的周期。就是在轨道周期的特定时间阵列能记录到较多宇宙射线，但是这些结果的统计权重很低，都还停留在可信度的边上。但连同CygX^3的结果，指出有一类重要的天体，在我们银河系中担负着加速许许多多宇宙射线的任务，于是新的检测器又瞄向一个重大目标。
超星系平面——我们的星系际邻居
让我们再回到对能量高于10^19eV的宇宙射线的讨论。我们已经知道，这个能量周围的能谱斜率的改变，形成踝状部分，指明这些粒子起源的不同类别。由于这些粒子具有极高的能量和携带着很小的电荷，所以我们相信它们冲过宇宙磁场时受到的偏转较小。可是，直到最近的测量结果显示，这些粒子的到达方向似乎还是均匀地分布在天空的各个地方。天空任何部分都看不出有到达方向略显汇聚的迹象。这便是使从事这一观测研究的每个人感到最大的失望之处。归根结底，这一领域的大多数实验者，从火山牧场的林斯利和哈佛拉公园的威尔逊开始，就期望宇宙射线的起源在十数年之内通过他们的观测实验会得到解决。30年过去了，虽然排除了许多疑难，但仍然面对着很大困惑。很难找到一个宇宙射线物理学家，他会坚信最高能量宇宙射线粒子是在银河系以内产生的。不过，没有发现到达方向存在明显的聚集现象的事实，并不说明宇宙射线源就在所有的方向上，当然，问题还是由于缺乏数据。30年来，全世界只观测到能量在10^19eV以上的宇宙射线1000例，其中只有100例能量高于6×10^19eV。天图上没有显示出这些粒子的到达方向存在任何聚集现象，或许并不令人吃惊。要想查明到达方向到底是否有任何不显著的聚集现象，还需要统计技术的帮助。
但是到底应该向什么地方查看呢？如果我们假定宇宙射线是在银河系以外的其他星系起源的，须考察宇宙射线到达方向是否与星系方向有关才有道理。你如果到郊外去看夜空，就会看到银河像一条宽宽的星带从地平线到另一边地平线。在这条星带的外面你所看到的星星点点，其中有些实际上是遥远的星系。假如通过大望远镜把所有这些星系都绘制成图，就会看出它们均匀地分布在天空上。换句话说，宇宙在大尺度上是各向同性的。因为我们知道星系有成群结队的趋势，所以在较小的尺度上并不真正各向同性。我们所在的星系是20来个星系所组成的一群之中的一个成员，这群星系被称做本星系群！其中最突出的星系是我们的星系和仙女座星系。其余大多为矮星系和大、小麦哲伦云那样的不规则星系，但它们却形成了直经约在400万光年的一个独特群体。在不很远的地方，约在5000万光年的距离处，就是室女座星系团，它是直经约700万光年之内聚集着1000个星系的大星系团。由于离我们相对较近，而且范围较大，这个星系团在北半球的夜空中外观显著。室女座星系团中包含着一些引人注目的天体，包括三个巨椭圆星系，它们每个都大到足以把我们整个本星系群吞下去！
当你听说星系团倾向于成团存在时，可能不会感到惊奇。例如，我们的本星系群和室女座星系团就是同一个星系团的集团的成员，称为超星系团，其直经约有1亿光年。实际上，统观宇宙会使我们想到星系的分布就像一把把的肥皂泡似的。星系所形成的结构类似于一些被空洞隔开的墙，所谓空洞就是星系较少的地带。那么，对宇宙射线起源来说这种结构意味着什么呢？
因为我们实际上并不需要考察很远的地方，所以宇宙结构的复杂性质对我们来说可以简化。我们知道，由于格雷森扎采品效应，宇宙微波背景的存在为能量高于6×10^19eV的宇宙射线质子能行进多么远的路程设置了极限。即便是最远的限度，也只能期待最大距离为3亿光年。对可能是重核的宇宙射线也存在类似的距离限度，它们在星系际空间与背景辐射光子的碰撞，使它分裂成碎片。如果我们现在把考察范围局限在3亿光年以内的全部星系上，会发现它们的分布是相对均匀的，但显出某些墙和洞的迹象。特别应当提到的是，有一条墙形结构，是20世纪50年代由法国美国天文学家G·伏库勒（Gerardde Vaucouleurs）发现的，这个墙状结构包含着我们的本星系群，室女座星系团以及其他邻近的星系团。这条墙形结构被称做超星系平面。开始宇宙射线物理学家对这个平面并不在意，直到20世纪90年代初，当在欧洲工作的一位澳大利亚天文学家P·沙佛尔（Peter Shaver）发现了一些相当重要的事件之后，才引起特别的兴趣。在沙佛尔绘制的显示附近强射电星系（而不是全部星系）位置的天图上，发现超星系平面变得更加明显。似乎3亿光年以内的全部强射电星系都处在这个超星系平面约20度以内的地方！把那些强射电星系当成首要的宇宙射线源候选者，引起了部分宇宙射线研究领域的研究者们的关注。
特别是，哈佛拉公园阵列的瓦特逊和J·劳埃德伊文斯（Jeremy LloydEvans）以及两位有创新才能的理论家T·斯坦尼夫（Todor Stanev）和P·别尔曼（Peter Biermann），决定再一次对来自哈佛拉公园、火山牧场以及伊尔库茨克的数据资料进行检验。他们渴望知道到底有没有宇宙射线由超星系团平面发出的任何线索。1995年发表了他们的研究结果，由于他们确实从数据检验中找到某些超星系方向上宇宙射线到达方向的聚集迹象，所以在天体物理学界激起了很大兴趣。这个研究组所提出的问题是，如果假定最高能量宇宙射线就是从天空所有方向上到达的，那么偶然观测到的汇聚的到达方向其概率有多大？到达方向均匀的假定是适宜作出检验的假说，如果这个概率很小，则为可供选择的假说所提供的权重侧重在宇宙射线的到达方向并不均匀。计算表明，观测到偏离均匀性的概率为0。035。数值虽小但并没有小到足以确认超星系平面就是宇宙射线来源之一。
疑惑依然遗留在许多人的心中，认为瓦特逊和他的同事们不够幸运，观测到一个偶然的方向聚集而不是均匀的到达方向？这个工作仍然在鼓励其他人把超星系平面当作有可能的宇宙射线发射源区域来对待。在阿德莱德学习的一个学生L·秋莱（Lisa Kewley）和她的两位导师一同考察了南半个天球，看那里是否存在着类似的来自超星系的成团到达现象。SUGAR阵列是南半球建成的惟一检测系统，它监视的天空区与其他检测系统很不相同。它能看到北方阵列看不到的超星系平面区域。但是非常令人失望，在秋莱小姐考察宇宙射线最高能量SUGAR事例的到达方向时，该超星系平面附近未见有成团到达的迹象。显然这就又引出某些有趣的问题。难道北半个天球取得的结果错了吗？还是超星系平面南方区域的星系所产生的宇宙射线粒子数与北方区域的有所不同？看来僵局还得留待观测到更多最高能星粒子之后才有可能打破。所幸不一定需要再等待30年，第一流的新型检测器有的正在建造有的正在设计。前进的步伐会不断加快。
高分辨率的蝇眼——〃HiRes〃
尽管蝇眼检测器过去的观测实验相当成功，还是没能解决关于最高能量宇宙射线起源的根本问题。许多人对此都感到失望，而直接推动该项实验的卡西迪更是如此。卡西迪把自己专业生涯的大部分时间精力投入到这里。20世纪80年代后期，他的兴趣开始转向其他方向。他买到一辆红色高速跑车，另外还开始写教科书，科学工作也转到物理学的其他领域，甚至包括生命力学。大家都认为这是宇宙射线研究领域的很大损失，可是卡西迪一直迷恋着改变后的兴趣方向。不过他的原研究组中还有些其他资深成员准备继续干下去，其中有卡西迪在康乃尔大学时的同事G·洛赫（Gene Loh）和P·索考尔斯基（Pierre Sokolsky）。他是一位宇宙射线研究领域的新来者，先前在纽约的布鲁克海汶国家实验室作中微子物理学工作，后来才到到犹他研究组。当时是1987年，开始计划向第二代蝇眼检测器进军。在若干年前，卡西迪和研究组其他成员已经非正式地对新的计划有所考虑，只是到了这一年才开始进行认真计算。目的是向资金经办机构美国国家科学基金会提出申请报告。方向很明确，为了增加观测事件率，新检测器必须能对更远的簇射进行检测。
最初的蝇眼能在1000平方千米的面积上检测最高能量空气簇射，这还很不够！新检测器的检测面积至少需要比这大5倍。要
