类星体揭示宇宙神秘能量信号之谜

在一个晴朗的夜晚，远离城市灯光，抬头仰望星空，你可能会看到月亮和一些星星，几颗行星，甚至可能是模糊的银河光芒。“在这之间，似乎只有空虚和黑暗，”哈佛大学天文学研究生王晓薇说。“至少在50多年前，天文学家意识到宇宙并不像我们曾经认为的那么空虚之前，我们是这样看待宇宙的。”

1964年，天文学家惊讶地发现了一种从四面八方、无时无刻不在发出的均匀辐射。这种低能量光后来被称为宇宙微波背景辐射（CMB），它被证明是大爆炸本身的残余辐射，在过去138亿年的旅程中冷却下来。研究CMB为我们对宇宙结构和组成、其确切年龄甚至其形状带来了巨大的见解。

在随后的几十年里，天文学家们了解到看不见的宇宙还有更多东西，他们几乎在每个观测到的波长都发现了背景辐射。他们发现的最高频率和能量最强的背景信号由一种称为伽马射线的光，以及称为中微子和宇宙射线的奇异粒子组成。而且，与CMB不同，这些发射源仍然是个谜。没有人知道它们来自何处。

在最近的三篇论文中，王晓薇和她的导师，哈佛天文学家阿维·勒布，提出了一个新观点，认为这种高能背景并非来自一个单一来源，而是来自数十亿个来源。

这一切都归结于一种称为类星体外流的现象。

Arno Penzias and Robert Wilson — 宇宙微波背景（下图）——宇宙中最古老的光——最初是由阿诺·彭齐亚斯和罗伯特·威尔逊在贝尔实验室（上图）发现的无法解释的信号，现在已经以令人难以置信的精度绘制出来。

类星体合唱团

类星体是宇宙中最明亮的物体之一。每个类星体的光度都大大超过其宿主星系中所有恒星的总和。（例如，2015年天文学家宣布他们发现了一个比我们太阳亮400万亿倍的类星体。）

所有大星系中心都有巨大的黑洞，当黑洞开始活跃地进食，吸入气体和尘埃等物质时，就会形成类星体。但这些物质并不会直接落入黑洞——它们以越来越快的速度围绕着深渊旋转，同时向内螺旋。最终，这些宇宙食物（由于摩擦）变得非常热，在其中一部分进入黑洞之前，会发出光芒。产生这种巨大光量的物体——黑洞及其周围旋转的碎片云——就是一个类星体。

但黑洞并不会吞噬视线内的一切；它的“嘴巴”根本不够大。一些周围的物质会以不同的方式被喷射出去。百分之十的已知类星体通过一对壮观的喷流以超过99%光速的速度喷射物质。

cosmic microwave background — NASA/WMAP科学团队

天文学家们为了寻找这种奇特的高能辐射源，仔细研究了这些强大的喷流。但观测表明它们还不够：宇宙中所有的类星体喷流只能解释大约一半的伽马射线，而无法解释任何中微子和宇宙射线。

王晓薇和勒布认为，这些无法解释的辐射可能源于每个类星体更微妙的特征：它们更温和但更稳定的外流。黑洞没有吞噬或通过喷流射出的物质，它会以相对中等的速度抛射出去——每秒几千英里，或大约1%的光速。在与局部气体相互作用后，这些外流最终可以产生少量的高能背景的所有三个组成部分：伽马射线、中微子和宇宙射线。

单个外流释放的能量不足以引起我们的注意，这就是为什么以前没有人真正考虑它们的原因——但足够多的数量会累积起来。在王晓薇和勒布的设想中，这个过程正在宇宙中的每个类星体中发生。少量的能量乘以大量的来源，理论上可以产生所有这些神秘的能量。

运行数字

王晓薇和勒布着手研究这些数字是否支持他们的前提。2015年，他们首先关注伽马射线。第一步是试图确定每个来源发出的微小数量。这并不容易。他们必须从理论上解决这个问题，因为单个类星体的辐射实际上太弱，无法直接测量。王晓薇和勒布利用他们可以观察到的其他波长的辐射作为指导，最终得出了一个估计值。

下一步是考虑我们宇宙中数十亿个类星体的贡献，以计算出所有类星体外流的总伽马射线信号。这个计算也很复杂，包含了对类星体总数、它们在天空中的大致分布以及观测亮度的范围的估计。（更亮的类星体发出更多的伽马射线。）最终，王晓薇和勒布得出的总值，奇迹般地，大约是伽马射线背景信号的一半——这可能构成了类星体喷流无法解释的“缺失”的一半。

受到鼓舞，他们在2016年末和2017年初重复了这项工作，针对中微子，然后是宇宙射线。在这两种情况下，他们统计的总和都与实验获得的中微子和宇宙射线背景值非常接近。这些数字是可行的，这表明他们可能已经找到了高能背景问题的答案。