SST-1M: Recent results and prospects for observation of the Galactic Center region

在我们的银河系中心，存在着一个活动异常剧烈的区域，那是一个由致密气体云、超新星爆发后的残骸以及大规模年轻恒星团组成的拥挤邻里。在这个混乱的环境中，大自然扮演了一个巨大的粒子加速器，将物质撞击在一起，产生在宇宙中穿梭的高能辐射。科学家们对一种特定类型的辐射特别感兴趣，即极高能伽马射线。这是已知能量最高的形态的光，其携带的能量比医院使用的 X 射线高出数百万倍。当这些伽马射线撞击地球大气层时，它们并不会直接到达地面；相反，它们会产生一种被称为切连科夫辐射（Cherenkov radiation）的短暂而微弱的蓝光闪烁。为了研究产生这些射线的宇宙引擎，天文学家在地面上建造了特殊的望远镜，这些望远镜就像巨大的镜子，捕捉这些转瞬即逝的光闪，从而重建高空光源的起源和性质。

一个研究小组一直致力于使用一种专门设计用于捕捉这些高能闪烁的新型望远镜进行研究。这些被称为单镜小尺寸望远镜（Single-Mirror Small-Size Telescopes）的仪器目前正在捷克共和国运行。虽然它们已经通过观测如蟹状星云（Crab Nebula）和遥远的活动星系等著名宇宙天体证明了自身的价值，但其所在的北半球位置限制了它们的观测视野。这类科学研究最重要的目标——银河系中心，由于位于南天较低的位置，无法从北半球进行清晰观测。该团队现在计划将他们的望远镜转移到阿根廷的一个新地点，在那里，银河系中心可以被观测更长时间。通过模拟这些望远镜在新位置所能看到的景象，研究人员已经证明，他们将能够绘制出银河系核心复杂的结构，并测试那里的粒子是否被加速到了远超地球上任何机器所能达到的能量水平。

该团队的工作始于证明他们目前的设置在捷克共和国运行完全符合预期。自 2023 年以来，他们同时运行两台此类望远镜，两者间距约 155 米，这使得它们可以进行立体观测，就像人类的双眼提供深度感知一样。他们花费了数百小时观察著名的超新星遗迹——蟹状星云，并成功测量了高达 100 TeV 的能量谱，这是一个其他仪器难以触及的能量水平。这一观测证实了他们的望远镜能够高精度地探测到微弱且延展的伽马射线源。他们还研究了天空的其他区域，例如天鹅座，在那里他们能够将两个此前模糊在一起的独立辐射源区分开来。这种区分天空中精细细节的能力至关重要，因为银河系中心是一个拥挤的地方，许多不同的辐射源相互重叠，很难分辨究竟是哪个天体产生了信号。

在验证了性能之后，研究人员将注意力转向了未来。他们利用经过现实世界数据验证的计算机模型，模拟了如果将望远镜移至阿根廷马拉古埃（Malargüe）会发生什么。这个新地点海拔更高，每年都能提供数百小时清晰观测银河系中心的机会。在模拟中，他们设想观测 250 小时的银河系中心区域，重点关注被称为“脊部”（Ridge）的区域，这是一条横跨银河系核心的弥散伽马射线发射带。模拟显示，望远镜将能够清晰探测到该区域内的明亮点源，例如中心的超大质量黑洞，以及“脊部”本身微弱且广泛的光辉。至关重要的是，模拟表明这些仪器可以将黑洞和其他紧凑天体的光与宽阔的弥散背景区分开来，由于信号重叠导致的混淆问题，这在其他天文台曾被证明是一项难题。

这项模拟中最显著的部分是测试一个特定的谜题：银河系中心的粒子能量能达到多高？一些理论认为，该区域包含“PeVatron”，即能够将粒子加速到一百万亿电子伏特（或称 PeV 能量）的天然加速器。如果这是真的，伽马射线谱应该在特定的高能处显示出陡峭的下降，或称为“截断”。研究人员模拟了他们将收集的数据，并对其进行了分析，以观察是否能发现这种截断。他们的结果表明，取决于下降发生的精确能量位置，望远镜探测到截断的统计显著性将在两到四个标准差之间。这意味着，虽然数据本身可能不是一个决定性的、一次性的证明，但它将提供强有力的证据来证实或排除这些极端加速器的存在。研究表明，宽广的视野与高灵敏度的结合，使这些望远镜在解决这一难题方面具有独特优势。

最终，这项工作凸显了将这些仪器移至南半球以解锁银河系核心奥秘的潜力。研究人员已经证明，即使在不太理想的条件下，他们的望远镜也能提供高质量的数据，且他们的模拟确认，将望远镜移至阿根廷将使他们能够以空前的清晰度绘制银河系中心的形态和能量谱。通过区分不同类型的辐射源并寻找标志着 PeVatron 存在的能谱截断，SST-1M 协作组旨在回答关于宇宙如何将粒子加速到最高能量的根本问题。未来的路径包括将硬件重新安置到一个银河系中心是夜空主导特征的地点，从而将一个此前难以研究的区域转变为高能天体物理学的主要实验室。