Pasukan JAXA Merakam Imej Langsung Sinar Gama dari Pusat Galaksi Menggunakan Kamera Penjejak Elektron

Penerbangan belon mendedahkan isyarat 7.9 sigma

Sebuah teleskop yang dibawa ke altitud tinggi di atas Australia pada 2018 menghasilkan imej langsung pancaran sinar gama dari pusat Bima Sakti, dengan mengesan isyarat 7.9 sisihan piawai melebihi sinaran latar dalam jalur tenaga 150 hingga 600 keV. Hasil ini menunjukkan kaedah pengimejan baharu bagi julat tenaga yang sekian lama sukar diperhatikan dengan tepat dalam astronomi.

JAXA, Universiti Kitasato, Institut Sains dan Teknologi Perindustrian Termaju Kebangsaan Jepun, serta Universiti Kyoto mengumumkan penemuan itu pada 6 Oktober 2026. Pengumuman penyelidikan bersama mereka menyifatkan kajian itu sebagai penggunaan pertama pengimejan linear berasaskan prinsip optik geometri untuk mendapatkan spektrum tepat pancaran pemusnahan positron dari pusat Galaksi pada tenaga ini.

Perbezaan ini penting. Ini bukan pengesanan pertama sinar gama atau pemusnahan antimateri di kawasan itu. Sebaliknya, ia menunjukkan cara berbeza untuk menentukan kedudukan sinar gama yang tiba dalam sesuatu imej, sekali gus menjadikan pengukuran kecerahan dan tenaga kurang bergantung pada andaian tentang susunan sumber cakerawala.

Penyelidikan itu turut menghasilkan anggaran pancaran berkaitan positronium kira-kira dua kali ganda ukuran terdahulu oleh INTEGRAL. Namun, ketidakpastiannya besar dan kertas kajian menyifatkan kedua-dua ukuran itu konsisten secara statistik. Hasil ini tidak membuktikan bahawa pusat Galaksi menjadi lebih cerah atau bahawa jirim gelap telah dikesan.

Pasukan itu merangkumi Profesor Toru Tanimori dari Universiti Kitasato, profesor emeritus Universiti Kyoto; penyelidik Tomonori Ikeda dari Institut Sains dan Teknologi Perindustrian Termaju Kebangsaan; Profesor Madya Atsushi Takada dari Universiti Kyoto; dan Penolong Profesor Yoshitaka Mizumura dari Institut Sains Angkasa dan Astronautik JAXA. Eksperimen seterusnya yang dicadangkan, SMILE-3, sedang disediakan sebagai calon bagi peluang penerbangan belon JAXA di Australia pada 2028.

Perubahan yang dibawa oleh kamera ini

Instrumen ini ialah kamera Compton penjejak elektron, atau ETCC. Daripada mengumpulkan sinar gama menggunakan kanta optik konvensional, instrumen ini membina semula arah ketibaannya berdasarkan interaksi di dalam pengesannya.

Apabila sinar gama mengalami serakan Compton, sebahagian tenaganya dipindahkan kepada elektron dan sinar itu meneruskan perjalanan dalam arah berbeza. Kamera Compton konvensional mengukur foton yang terserak tetapi tidak dapat mengukur arah elektron sentakan dengan cukup lengkap. Oleh itu, setiap peristiwa secara individu hanya menunjukkan gelang lokasi yang mungkin di langit, bukannya satu arah yang dikenal pasti dengan tepat.

ETCC merekodkan jejak elektron serta tenaga dan kedudukan foton yang terserak. Gabungan ukuran itu membolehkan arah asal dibina semula dan kedudukan dalam imej dikenal pasti, tertakluk pada ketidakpastian sudut instrumen.

Hal ini membolehkan pengimejan linear. Secara ringkas, sumbangan terukur daripada satu sumber sepatutnya kekal konsisten sama ada sumber itu diperhatikan secara bersendirian atau bersama sumber lain. Imej yang terhasil kemudian boleh digunakan untuk mengukur kecerahan secara kuantitatif, tanpa bergantung terutamanya pada pembinaan semula rumit bagi gelang yang bertindih.

Perbandingan dengan astronomi optik merujuk kepada prinsip pengimejan ini, bukannya perkakasan atau ketajaman imej yang terhasil. ETCC tidak memfokuskan sinar gama melalui kanta kaca dan imej pusat Galaksi yang dihasilkannya masih luas. Kemajuannya terletak pada hubungan yang lebih langsung dan boleh diukur antara peristiwa yang dikesan dengan kedudukan di langit.

Lima jam menghala ke pusat Galaksi

Belon SMILE-2+ dilancarkan dari Alice Springs di tengah Australia pada 7 April 2018, pukul 06:24 Waktu Piawai Tengah Australia. Penerbangannya berlangsung kira-kira sehari, tetapi tempoh pemerhatian berguna untuk pusat Galaksi jauh lebih singkat.

Menurut manuskrip penyelidikan, pusat Galaksi memasuki medan pandangan terpilih kira-kira pukul 01:00 pada 8 April dan kekal boleh diperhatikan selama sekitar lima jam. Imej menggunakan data dari tempoh altitud stabil, ketika belon terapung pada ketinggian kira-kira 39.6 kilometer.

Medan pandangan teleskop itu ialah 3.1 steradian. Steradian mengukur keluasan sudut, bukannya permukaan rata. Berbanding seluruh langit yang berkeluasan kira-kira 12.6 steradian, instrumen itu boleh meliputi sekitar satu perempat langit pada satu-satu masa, meskipun analisis mengehadkan arah pandangan untuk mengurangkan pencemaran atmosfera.

Kronologi ini membezakan penerbangan asal daripada analisis saintifik yang dijalankan kemudian:

• 7 April 2018: SMILE-2+ dilancarkan dari Alice Springs.
• 8 April 2018: Pusat Galaksi boleh diperhatikan selama kira-kira lima jam.
• 2022: Pasukan menerbitkan laporan awal pengesanan pusat Galaksi dalam Astrophysical Journal.
• 11 Ogos 2026: Kajian pengimejan dan spektroskopi baharu diterbitkan dalam Physical Review D.
• 6 Oktober 2026: Empat institusi Jepun mengumumkan hasil kajian itu bersama-sama.
• 2028: JAXA merancang peluang penerbangan belon di Australia, dengan SMILE-3 sebagai salah satu calon.

Pengesanan kukuh bukan peta terperinci

Kertas kajian Physical Review D, diterbitkan sebagai jilid 114, artikel 043026, melaporkan lebihan 7.9 sigma dalam imej pusat Galaksi. Sigma menunjukkan magnitud isyarat berbanding turun naik statistik yang dijangka daripada anggaran latar.

Ini merupakan bukti kukuh bagi pancaran dalam imej berdasarkan analisis yang digunakan. Namun, hasil itu sahaja tidak mengenal pasti objek yang menghasilkan sinaran atau menentukan sama ada pancaran tertumpu pada satu sumber kecil atau tersebar di kawasan yang luas.

Penulis menguji tiga gambaran pancaran: satu sumber di pusat Galaksi, struktur dengan beberapa komponen, dan taburan simetri yang licin dalam bentuk Gaussian dua dimensi. Struktur dengan beberapa komponen itu merangkumi bonjolan sempit, bonjolan luas, cakera malap dan sumber pusat.

Ikeda dan rakan penulisnya, iaitu para penyelidik yang menjalankan kajian itu, menyatakan dalam abstrak kertas berkenaan bahawa pemerhatian tidak dapat membezakan dengan jelas antara gambaran-gambaran tersebut:

Ketiga-tiganya didapati konsisten secara statistik dengan data.

Padanan Gaussian menghasilkan lebar 26 ± 12 darjah, bersamaan lebar penuh pada separuh maksimum 61 ± 28 darjah. Namun, ujian statistik tidak membuktikan bahawa sumber yang meluas diperlukan. Oleh itu, pasukan itu mengesan kawasan tersebut dengan yakin tetapi belum dapat memastikan struktur fizikalnya.

Mengapa fluks dua kali ganda bukan percanggahan

Anggaran yang dikaitkan dengan positronium ialah (3.2 ± 1.4) × 10 kuasa tolak 2 foton per sentimeter persegi per saat. Positronium ialah sistem terikat sementara yang terdiri daripada elektron dan pasangan antimaterinya, positron. Pemusnahannya menghasilkan sinar gama, termasuk pancaran berterusan yang menyumbang dalam jalur tenaga yang diperhatikan.

Kertas kajian itu membandingkan anggaran berkenaan dengan nilai INTEGRAL sebanyak (1.4 ± 0.3) × 10 kuasa tolak 2 foton per sentimeter persegi per saat. Pembahagian nilai pusat, 3.2 dengan 1.4, memberikan kira-kira 2.3, selaras dengan gambaran dalam pengumuman bahawa hasil itu sekitar dua kali lebih tinggi.

Nilai pusatnya berbeza, tetapi ketidakpastian perlu diambil kira dalam perbandingan. Penulis menyifatkan ukuran itu konsisten dalam lingkungan satu sigma. Oleh itu, hasil baharu ini wajar dibaca sebagai anggaran lebih tinggi yang memerlukan pengukuran lebih baik, bukannya percanggahan yang disahkan dengan INTEGRAL.

Nilai positronium itu juga bukan diperoleh dengan mengira hanya foton yang dikenal pasti secara unik sebagai berasal daripada positronium. Bagi model dengan beberapa komponen, jumlah fluks terukur merentasi 150 hingga 600 keV ialah (5.8 ± 1.2) × 10 kuasa tolak 2 foton per sentimeter persegi per saat.

Penyelidik kemudian menganggarkan dan menolak sumbangan Compton songsang sebanyak (2.6 ± 0.7) × 10 kuasa tolak 2 dalam unit yang sama. Pancaran Compton songsang berlaku apabila elektron bertenaga memindahkan tenaga kepada foton. Ketidakpastian dalam sumbangan yang dimodelkan itu turut mempengaruhi anggaran akhir positronium.

Pengimejan langsung masih memerlukan pembetulan latar

Ukuran arah oleh kamera ini mengurangkan kekaburan, tetapi tidak menghapuskan semua keperluan pemodelan atau pembetulan. Manuskrip itu menyatakan secara jelas bahawa jumlah peristiwa yang terhad menghalang pembinaan semula taburan pancaran meresap secara bebas sepenuhnya.

Sinar gama atmosfera mendominasi latar dalam julat tenaga yang diperhatikan. Peristiwa sinar kosmik dan kebetulan tidak sengaja antara isyarat pengesan yang tidak berkaitan turut menyumbang. Walaupun pada altitud belon, sinaran dari angkasa boleh diserap atau terserak sebelum sampai ke teleskop.

Penyelidik mensimulasikan kesan atmosfera ini dan menentukur normalisasi latar menggunakan tempoh ketika pusat Galaksi berada di luar medan pandangan. Mereka turut menganggarkan sumbangan daripada sumber terang yang diketahui menggunakan katalog Swift dan INTEGRAL.

Dalam jalur 450 hingga 600 keV, kira-kira 92% peristiwa yang dikesan dalam bin analisis pusat Galaksi diklasifikasikan sebagai latar. Kertas kajian itu menyatakan nisbah isyarat kepada hingar sebanyak 8.8% bagi jalur tersebut. Peratusan ini menerangkan komposisi peristiwa yang dipilih, bukannya keertian 7.9 sigma bagi pengesanan imej.

Perbandingan dengan balai cerap lain juga perlu dibuat dengan berhati-hati atas sebab lain: kawasan langit yang diukur tidak semuanya sama dan sumber tidak ditolak dengan cara yang sama. Analisis ETCC menggunakan kawasan tengah yang menjangkau kira-kira 33 darjah ke kedua-dua belah pusat Galaksi dari segi longitud dan latitud Galaksi.

Analisis COSI dan INTEGRAL yang dirujuk menggunakan kawasan berbeza. Kertas kajian itu melaraskan nilai keamatan mereka untuk mengambil kira perbezaan keluasan sudut, sambil mengingatkan bahawa perbandingan pancaran meresap kekal anggaran kerana turut bergantung pada taburan sinaran yang diandaikan.

Sejauh mana ketajaman imej baharu ini?

ETCC menggunakan pengesan gas dengan isipadu aktif 30 × 30 × 30 sentimeter untuk merekodkan jejak elektron, dikelilingi 108 tatasusunan kilauan untuk mengesan sinar gama yang terserak. Penyelidik turut menggunakan rangkaian neural konvolusi untuk menambah baik pembinaan semula arah elektron sentakan.

Pada 511 keV, tenaga ciri bagi garis pemusnahan elektron dan positron, jejari kuasa separuh instrumen itu ialah 20 darjah. Ini bermakna separuh daripada peristiwa yang dibina semula daripada sumber titik berada dalam lingkungan jejari sudut 20 darjah.

Pelarasan tenaga pada 511 keV ialah 14%, dinyatakan sebagai lebar penuh pada separuh maksimum bagi tindak balasnya. Ukuran ini menunjukkan sejauh mana peristiwa daripada satu tenaga foton tersebar dalam spektrum yang direkodkan.

Spesifikasi ini menjelaskan mengapa pengimejan langsung dan pengenalpastian sumber dengan tepat ialah pencapaian yang berbeza. Kamera itu boleh menentukan arah melalui tindak balas pengimejan yang jelas, namun peleraian sudutnya yang luas tidak dapat memisahkan dengan yakin objek individu yang berhimpit di kawasan pusat Galaksi.

Oleh itu, instrumen ini menunjukkan satu kaedah, bukannya penyelesaian muktamad bagi struktur kawasan itu. Isyarat lebih kuat, masa pemerhatian lebih panjang dan prestasi yang lebih baik akan membantu menentukan gambaran ruang yang paling sepadan dengan langit.

Sumber antimateri masih belum dikenal pasti

Pusat Galaksi ialah sumber utama garis pemusnahan 511 keV, tetapi asal positronnya masih belum diketahui. Manuskrip penyelidikan itu menyatakan bahawa taburan yang diperhatikan tidak sepadan dengan mana-mana populasi astrofizik yang diketahui dan hanya sedikit berkorelasi dengan pancaran pada panjang gelombang lain.

Antara sumber lazim yang dibincangkan dalam kertas kajian itu ialah nukleus radioaktif yang dihasilkan oleh bintang berjisim besar dan supernova. Bintang neutron dan lohong hitam turut menjadi calon kerana interaksi foton bertenaga di sekitar objek padat boleh menghasilkan elektron dan positron.

Hipotesis lain merangkumi pemusnahan atau pereputan jirim gelap serta lohong hitam primordial berjisim rendah. Lohong hitam primordial terbentuk pada awal alam semesta, bukannya melalui keruntuhan bintang. Mekanisme penghasilan positron yang dicadangkan dalam kertas kajian itu ialah sinaran Hawking.

Imej baharu ini tidak mengesahkan mana-mana penjelasan tersebut. Taburan ruang yang belum dapat dipastikan, ketidakpastian fluks dan penolakan pancaran lain yang dimodelkan mengehadkan kesimpulan yang boleh dibuat tentang asalnya.

Kemajuan yang berguna terletak pada aspek pemerhatian: instrumen yang boleh mengukur arah dan tenaga sinar gama melalui tindak balas linear menyediakan satu lagi cara untuk menguji penjelasan yang bersaing. Ia tidak menjadikan isyarat yang belum terjelaskan sebagai bukti fizik eksotik.

SMILE-3 menyasarkan pengukuran seterusnya

Takada mengetuai persediaan SMILE-3, yang akan menggunakan ETCC dengan kepekaan lebih tinggi. Pengumuman JAXA menyifatkannya sebagai eksperimen calon bagi peluang penerbangan belon Australia seterusnya yang dirancang pada 2028. Pengumuman itu tidak menyatakan bahawa pemilihan telah dimuktamadkan atau tarikh pelancaran telah disahkan.

Simulasi yang dibincangkan dalam bahan penyelidikan menunjukkan bahawa naik taraf boleh meningkatkan nisbah isyarat kepada hingar dalam jalur 450 hingga 600 keV daripada 8.8% kepada kira-kira 32%. Ini bersamaan kira-kira 3.6 kali nisbah semasa, berdasarkan pengiraan daripada kedua-dua angka itu, tetapi ia masih unjuran dan bukannya hasil penerbangan yang telah dibuktikan.

Institusi berkenaan turut mengenal pasti pemerhatian belon yang lebih lama dan kemungkinan pemerhatian satelit sebagai cara untuk meluaskan penggunaan teknik ini. Selain pusat Galaksi, sasaran yang dicadangkan termasuk sisa supernova, nukleus galaksi aktif dan letusan sinar gama.

Sasaran ini menghubungkan kaedah pengimejan dengan pengukuran saintifik tertentu: pancaran radioaktif boleh mengesan tindak balas nuklear dan penghasilan unsur, manakala isyarat sinar gama lain boleh mengkaji pecutan zarah bertenaga. Namun, tugas terdekat lebih terhad: menambah baik instrumen dan mengumpulkan data yang mencukupi untuk mengukur kecerahan serta bentuk pusat Galaksi dengan lebih meyakinkan.

Perkara Utama

• SMILE-2+ mengesan pancaran dari pusat Galaksi pada 150 hingga 600 keV, dengan lebihan 7.9 sigma dalam imejnya.
• Hasil ini menunjukkan pengimejan linear menggunakan kamera Compton penjejak elektron, bukannya penemuan pertama sinar gama dari kawasan itu.
• Anggaran fluks berkaitan positronium kira-kira 2.3 kali nilai pusat INTEGRAL, tetapi kertas kajian menyifatkan kedua-dua ukuran itu konsisten secara statistik.
• Tiga model ruang yang berbeza sepadan dengan data, maka struktur terperinci pancaran masih belum dapat dipastikan.
• Pemerhatian ini tidak membuktikan bahawa jirim gelap atau lohong hitam primordial ialah sumber positron.
• SMILE-3 sedang disediakan sebagai calon bagi peluang penerbangan belon JAXA di Australia yang dirancang pada 2028.