一次气球飞行揭示7.9西格玛信号
2018年搭载气球飞越澳大利亚上空的一台望远镜，拍到了来自银河系中心的伽马射线辐射直接图像，并在150至600 keV能段探测到高于背景辐射7.9个标准差的信号。这一结果展示了一种新的成像方法，可用于长期难以实现精确天文观测的能段。
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日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）、北里大学、日本产业技术综合研究所和京都大学于2026年10月6日公布了这一发现。他们的联合研究公告称，这是首次依据几何光学原理采用线性成像，在这些能量范围内获得银河系中心正电子湮灭辐射的精确能谱。
这一区别很重要。这并非首次探测到该区域的伽马射线或反物质湮灭，而是展示了一种不同的方法，可将到达的伽马射线对应到图像中的位置，从而使亮度和能量测量较少依赖对天体源分布的假设。
研究还估算了与正电子素相关的辐射，其数值约为此前INTEGRAL测量结果的两倍。不过，这一估算的不确定性较大，论文认为两次测量在统计上相符。该结果并不能证明银河系中心变亮，也不能证明探测到了暗物质。
研究团队成员包括北里大学教授、京都大学名誉教授谷森达；日本产业技术综合研究所研究员池田智典；京都大学副教授高田淳史；以及JAXA宇宙科学研究所助理教授水村佳孝。团队正筹备下一项拟议实验SMILE-3，该实验正在申请参加JAXA计划于2028年在澳大利亚开展的气球飞行项目。
这台相机带来了什么变化
该仪器是一种电子跟踪康普顿相机（ETCC）。它不使用传统光学镜头收集伽马射线，而是根据射线在探测器内部的相互作用重建其入射方向。
伽马射线发生康普顿散射时，会将部分能量传递给电子，随后改变方向继续传播。传统康普顿相机可以测量散射后的光子，但无法足够完整地测量反冲电子的方向。因此，单个事件只能指向天空中一圈可能的位置，而不是一个确定的方向。
ETCC既记录电子轨迹，也测量散射光子的能量和位置。结合这些测量结果，就能重建入射方向，并在考虑仪器角度不确定性的前提下，将其对应到图像中的特定位置。
这使线性成像成为可能。简单来说，无论单独观测某个源，还是将其与其他源一同观测，该源的测量贡献都应保持一致。由此生成的图像可用于定量测量亮度，而不必主要依赖复杂的重叠环形图像重建。
这里与光学天文学的比较，指的是成像原理，而不是硬件或图像清晰度。ETCC不会通过玻璃镜头聚焦伽马射线，其拍摄的银河系中心图像仍然较为模糊。它的进步在于，探测事件与天空位置之间的对应关系更加直接，也更便于测量。
对准银河系中心观测五小时
SMILE-2+气球于2018年4月7日澳大利亚中部标准时间06:24，从澳大利亚中部的艾丽斯斯普林斯起飞。飞行持续约一天，但有效观测银河系中心的时间短得多。
根据这份研究手稿，银河系中心于4月8日约01:00进入选定视场，可观测约五小时。图像使用了气球高度稳定期间的数据，当时气球漂浮在约39.6公里的高度。
望远镜的视场为3.1球面度。球面度衡量的是角面积，而非平面面积。全天空约为12.6球面度，相比之下，该仪器一次可覆盖约四分之一的天空，不过分析中限制了观测方向，以减少大气污染。
以下时间线区分了最初的飞行和后续科学分析：
- 2018年4月7日：SMILE-2+从艾丽斯斯普林斯起飞。
- 2018年4月8日：银河系中心可观测约五小时。
- 2022年：团队在《天体物理学杂志》发表了关于探测银河系中心的初步报告。
- 2026年8月11日：这项新的成像与能谱研究发表于《物理评论D》。
- 2026年10月6日：日本四家机构联合公布研究结果。
- 2028年：JAXA计划在澳大利亚提供一次气球飞行机会，SMILE-3是候选项目之一。
强信号不等于详细地图
发表于《物理评论D》的论文刊载于第114卷，文章编号043026，报告称银河系中心图像中出现了7.9西格玛的超额信号。西格玛表示信号相对于背景估算值中预期统计波动的大小。
在所采用的分析方法下，这有力地表明图像中存在辐射。但仅凭这一点，无法确定产生辐射的天体，也无法判定辐射是集中于一个小型源，还是分布在广阔区域内。
作者检验了三种辐射分布模型：银河系中心的单一源、由多个部分组成的结构，以及以二维高斯分布描述的平滑对称分布。多成分结构包括一个狭窄核球、一个宽阔核球、一个微弱的盘状结构和一个中心源。
研究人员池田及其合著者在论文摘要中表示，观测结果无法在这些模型之间作出明确区分：
结果发现，三种模型在统计上都与数据相符。
高斯拟合得到的宽度为26 ± 12度，相当于全宽半高61 ± 28度。不过，统计检验并未证明必须存在一个延展源。因此，团队可靠地探测到了该区域，但尚未能明确解析其物理结构。
为何通量翻倍并不意味着结果矛盾
与正电子素相关的辐射估算值为每平方厘米每秒(3.2 ± 1.4) × 10的负2次方个光子。正电子素是一种短暂的束缚态，由一个电子及其反物质对应粒子正电子组成。它湮灭时会产生伽马射线，其中包括对观测能段有贡献的连续谱。
论文将该估算值与INTEGRAL测得的每平方厘米每秒(1.4 ± 0.3) × 10的负2次方个光子进行比较。用中心值3.2除以1.4，约为2.3，这支持了公告中“结果约高出一倍”的说法。
中心值虽有差异，但比较时必须考虑各自的不确定性。作者认为，两项测量在一个西格玛范围内相符。因此，应将新结果理解为有待更精确测量的较高估值，而不是与INTEGRAL已确认存在分歧。
正电子素数值也并非通过只统计那些被唯一认定来自正电子素的光子得出。在多成分模型中，150至600 keV范围内测得的总通量为每平方厘米每秒(5.8 ± 1.2) × 10的负2次方个光子。
随后，研究人员估算并扣除了每平方厘米每秒(2.6 ± 0.7) × 10的负2次方个光子的逆康普顿辐射贡献。逆康普顿辐射是高能电子向光子传递能量时产生的辐射。对这一模型贡献的估算不确定性也会影响最终的正电子素估值。
直接成像仍需校正背景
相机的方向测量减少了歧义，但并不能消除所有模型假设或校正。研究手稿明确指出，事件数量有限，无法完全独立地重建弥散辐射的分布。
在观测能段内，大气伽马射线是主要背景。宇宙射线事件以及探测器中彼此无关的信号偶然重合，也会带来影响。即使在气球高度，来自太空的辐射到达望远镜前也可能被吸收或散射。
研究人员模拟了这些大气效应，并利用银河系中心位于视场之外时的一段观测数据校准背景归一化。他们还根据Swift和INTEGRAL星表估算了已知亮源的贡献。
在450至600 keV能段中，银河系中心分析区间内探测到的事件约有92%被判定为背景。论文给出的该能段信噪比为8.8%。这一比例描述的是所选事件的组成，并非图像探测的7.9西格玛显著性。
与其他天文台的结果比较时还需注意另一点：它们测量的天空区域并不相同，扣除源辐射的方式也各异。ETCC分析使用的中心区域，在银经和银纬方向上都从银河系中心向两侧延伸约33度。
论文引用的COSI和INTEGRAL分析采用了不同区域。论文对其强度数值进行了换算，以考虑角面积差异，同时提醒读者，对弥散辐射的比较仍属近似，因为结果也取决于所假设的辐射分布。
新图像有多清晰？
ETCC使用一个有效体积为30 × 30 × 30厘米的气体探测器记录电子轨迹，周围环绕着108组闪烁体阵列，用于探测散射伽马射线。研究人员还使用卷积神经网络改进反冲电子方向的重建。
在511 keV——电子与正电子湮灭谱线的特征能量——该仪器的半功率半径为20度。这意味着，来自点源且经过重建的事件中，有一半落在20度的角半径范围内。
仪器在511 keV处的能量分辨率为14%，以响应曲线的全宽半高表示。它衡量的是来自单一光子能量的事件在记录能谱中的展宽程度。
这些指标说明，直接成像与精确识别辐射源是两项不同的成果。相机能够依据明确的成像响应确定方向，但其较宽的角分辨率无法可靠地区分拥挤在银河系中心区域内的单个天体。
因此，该仪器展示的是一种方法，而非解决该区域结构问题的最终方案。更强的信号、更长的观测时间和更好的仪器性能，都有助于确定哪种空间分布模型最符合实际天空。
反物质来源仍未查明
银河系中心是显著的511 keV湮灭谱线源，但其正电子的来源仍不确定。研究手稿指出，观测到的分布与任何已知天体物理族群都不完全吻合，与其他波长的辐射也几乎没有相关性。
论文讨论的可能常规来源包括大质量恒星和超新星产生的放射性核素。中子星和黑洞也是候选对象，因为致密天体周围的高能光子相互作用可能产生电子和正电子。
其他假说包括暗物质湮灭或衰变，以及低质量原初黑洞。原初黑洞形成于早期宇宙，而不是由恒星坍缩形成。论文讨论的正电子产生机制是霍金辐射。
新图像并未证实上述任何一种解释。空间分布尚未解析、通量存在不确定性，而且分析中扣除了其他辐射的模型估算，这些因素都限制了对其来源所能作出的结论。
这项成果的价值在于观测方法：能够通过线性响应测量伽马射线方向和能量的仪器，为检验相互竞争的解释提供了另一种手段。它并没有将一个未解信号变成奇异物理学的证据。
SMILE-3瞄准下一次测量
高田正牵头筹备SMILE-3，该项目拟采用灵敏度更高的ETCC。JAXA的公告称，该实验是计划于2028年举行的下一次澳大利亚气球飞行项目的候选项目之一。公告并未称项目已获选，也未确认发射日期。
研究材料中讨论的模拟结果显示，升级后450至600 keV能段的信噪比有望从8.8%提高至约32%。根据这两个数值计算，约为当前水平的3.6倍；但这只是预测，并非已由实际飞行验证的结果。
相关机构还指出，延长气球观测时间和开展卫星观测，或可拓展这一技术的应用。除银河系中心外，拟观测目标还包括超新星遗迹、活动星系核和伽马射线暴。
这些目标将成像方法与具体科学测量联系起来：放射性辐射可以追踪核反应和元素形成，其他伽马射线信号则可用于研究高能粒子的加速。不过眼下的任务更为具体：改进仪器并收集足够数据，以更明确地测量银河系中心的亮度和形状。
要点
- SMILE-2+在150至600 keV能段探测到银河系中心辐射，图像中出现7.9西格玛的超额信号。
- 这项结果展示了利用电子跟踪康普顿相机进行线性成像，并非首次发现该区域的伽马射线。
- 与正电子素相关的通量估值约为INTEGRAL中心值的2.3倍，但论文认为两项测量在统计上相符。
- 数据符合三种不同的空间模型，因此辐射的详细结构仍未解析。
- 这些观测并未证明暗物质或原初黑洞是正电子的来源。
- SMILE-3正在筹备中，是JAXA计划于2028年在澳大利亚开展的气球飞行项目的候选项目之一。
