Direktang Nakuha ng Koponan ng JAXA ang Larawan ng mga Gamma Ray mula sa Sentro ng Kalawakan Gamit ang Electron Tracking Camera

Ipinakita ng paglipad ng lobo ang senyas na 7.9 sigma

Nakapagdulot ng direktang larawan ng mga gamma ray na nagmumula sa sentro ng Milky Way ang isang teleskopyong pinalipad sa ibabaw ng Australia noong 2018. Nakakita ito ng senyas na 7.9 standard deviation ang taas kumpara sa background radiation sa energy band na 150 hanggang 600 keV. Ipinakikita ng resulta ang isang bagong paraan ng pagkuha ng larawan sa saklaw ng enerhiya na matagal nang mahirap obserbahan nang may katumpakang astronomikal.

Inanunsyo ng JAXA, Kitasato University, National Institute of Advanced Industrial Science and Technology ng Japan, at Kyoto University ang mga natuklasan noong Oktubre 6, 2026. Inilalarawan ng kanilang magkasanib na anunsiyo ng pananaliksik ang gawaing ito bilang unang paggamit ng linear imaging batay sa mga prinsipyo ng geometrical optics upang makakuha ng tumpak na spectrum ng emisyon mula sa annihilation ng positron sa Galactic center sa mga enerhiyang ito.

Mahalaga ang pagkakaibang ito. Hindi ito ang unang pagkakatuklas ng mga gamma ray o annihilation ng antimatter sa rehiyong iyon. Ipinakikita nito ang ibang paraan ng pagtukoy kung saang bahagi ng larawan nagmula ang mga dumarating na gamma ray, kaya hindi gaanong nakasalalay sa mga palagay tungkol sa pagkakaayos ng mga bagay sa kalawakan ang pagsukat sa liwanag at enerhiya ng mga ito.

Nagbigay rin ang pananaliksik ng tantiya sa emisyong kaugnay ng positronium na humigit-kumulang doble ng naunang pagsukat ng INTEGRAL. Gayunman, malaki ang kawalang-katiyakan, at inilalarawan sa papel na tugma sa estadistika ang dalawang sukat. Hindi pinatutunayan ng resulta na mas luminaw ang Galactic center o natuklasan ang dark matter.

Kabilang sa pangkat sina Propesor Toru Tanimori ng Kitasato University, isang emeritus professor ng Kyoto University; mananaliksik na si Tomonori Ikeda ng National Institute of Advanced Industrial Science and Technology; Associate Professor Atsushi Takada ng Kyoto University; at Assistant Professor Yoshitaka Mizumura ng Institute of Space and Astronautical Science ng JAXA. Inihahanda ang susunod nilang panukalang eksperimento, ang SMILE-3, bilang kandidato para sa pagkakataong magpalipad ng lobo ng JAXA sa Australia sa 2028.

Ang binabago ng camera

Ang instrumento ay isang electron tracking Compton camera, o ETCC. Sa halip na mangalap ng mga gamma ray gamit ang karaniwang optical lens, muling binubuo nito ang mga direksiyong pinagmulan ng mga ito batay sa mga interaksiyon sa loob ng mga detector nito.

Kapag naganap ang Compton scattering sa isang gamma ray, inililipat nito ang bahagi ng enerhiya nito sa isang electron at nagpapatuloy sa ibang direksiyon. Sinusukat ng karaniwang Compton camera ang nakakalat na photon, ngunit hindi nito nasusukat nang sapat at kumpleto ang direksiyon ng tumalbog na electron. Kaya ang isang pangyayari ay tumuturo pabalik sa isang singsing ng mga posibleng lokasyon sa kalangitan, sa halip na sa iisang tiyak na direksiyon.

Naitatala ng ETCC ang galaw ng electron, gayundin ang enerhiya at posisyon ng nakakalat na photon. Sa pagsasama ng mga sukat na ito, maaaring muling buuin ang direksiyong pinagmulan ng gamma ray at matukoy ang posisyon nito sa larawan, alinsunod sa angular uncertainty ng instrumento.

Dahil dito, nagiging posible ang linear imaging. Sa madaling sabi, dapat manatiling magkakatugma ang nasusukat na ambag ng isang pinagmulan, nakahiwalay man itong inoobserbahan o kasama ng iba pang pinagmulan. Sa gayon, magagamit ang mga larawan sa pagsukat ng liwanag nang pa-numero, sa halip na pangunahing umasa sa masalimuot na muling pagbubuo ng magkakapatong na mga singsing.

Ang paghahambing sa optical astronomy ay tumutukoy sa prinsipyong ito ng pagkuha ng larawan, hindi sa hardware o talas ng larawang nalilikha. Hindi itinuon ng ETCC ang mga gamma ray sa pamamagitan ng salaming lente, at malawak pa rin ang larawang nakukuha nito sa Galactic center. Ang pagsulong ay nasa mas tuwiran at nasusukat na ugnayan sa pagitan ng mga natukoy na pangyayari at mga posisyon sa kalangitan.

Limang oras na pagtutok sa Galactic center

Pinalipad ang SMILE-2+ balloon mula sa Alice Springs sa gitnang Australia noong Abril 7, 2018, nang 06:24 Australian Central Standard Time. Tumagal nang humigit-kumulang isang araw ang paglipad nito, ngunit mas maikli ang panahong kapaki-pakinabang ang pagmamasid nito sa Galactic center.

Ayon sa manuskrito ng pananaliksik, pumasok ang Galactic center sa piniling field of view bandang 01:00 noong Abril 8 at nanatiling nakikita nang humigit-kumulang limang oras. Gumamit ang mga larawan ng datos mula sa panahong matatag ang taas ng lobo, nang lumutang ito sa humigit-kumulang 39.6 kilometro.

May field of view na 3.1 steradian ang teleskopyo. Panukat ang steradian ng lawak na anggular, hindi ng patag na ibabaw. Kung ihahambing sa humigit-kumulang 12.6 steradian ng buong kalangitan, kayang masaklaw ng instrumento ang halos sangkapat ng kalangitan sa isang pagkakataon, bagaman nilimitahan ng pagsusuri ang mga direksiyong tiningnan upang mabawasan ang kontaminasyon mula sa atmospera.

Magkahiwalay ang pagkakasunod-sunod ng orihinal na paglipad at ng sumunod na pagsusuring siyentipiko:

• Abril 7, 2018: Pinalipad ang SMILE-2+ mula sa Alice Springs.
• Abril 8, 2018: Namasdan ang Galactic center nang humigit-kumulang limang oras.
• 2022: Inilathala ng pangkat sa Astrophysical Journal ang unang ulat tungkol sa pagkakatuklas sa Galactic center.
• Agosto 11, 2026: Inilathala sa Physical Review D ang bagong pag-aaral sa imaging at spectroscopy.
• Oktubre 6, 2026: Magkasamang inanunsiyo ng apat na institusyong Hapones ang mga resulta.
• 2028: Nagplano ang JAXA ng pagkakataong magpalipad ng lobo sa Australia, kung saan kandidato ang SMILE-3.

Hindi detalyadong mapa ang malakas na pagkakatuklas

Iniulat ng papel sa Physical Review D, na inilathala bilang volume 114, artikulo 043026, ang sobrang signal na 7.9 sigma sa larawan ng Galactic center. Ipinakikita ng sigma ang laki ng signal kumpara sa inaasahang estadistikal na pagbabago-bago ng tinantiyang background.

Matibay itong ebidensiya ng emisyon sa larawan batay sa ginamit na pagsusuri. Ngunit hindi nito, sa ganang sarili, natutukoy ang mga bagay na naglalabas ng radyasyon o kung nakasentro ang emisyon sa isang maliit na pinagmulan o nakakalat sa malawak na rehiyon.

Sinubok ng mga may-akda ang tatlong paglalarawan sa emisyon: iisang pinagmulan sa Galactic center, isang estrukturang may ilang bahagi, at isang makinis at simetrikong distribusyong inilalarawan ng two-dimensional Gaussian. Kabilang sa estrukturang may ilang bahagi ang makitid na umbok, malawak na umbok, malabong disk, at isang pinagmulan sa gitna.

Isinulat ni Ikeda at ng kapwa niya mga may-akda, ang mga mananaliksik na nagsagawa ng pag-aaral, sa abstrak ng papel na hindi nakapili nang tiyak ang mga obserbasyon sa pagitan ng mga paglalarawang ito:

Napag-alamang tugma sa estadistika sa datos ang tatlo.

Nagbigay ang Gaussian fit ng lapad na 26 ± 12 degree, katumbas ng full width at half maximum na 61 ± 28 degree. Gayunman, hindi pinatunayan ng estadistikal na pagsusuri na kailangan ang isang malawak na pinagmulan. Kaya mapagkakatiwalaan ng pangkat na natukoy ang rehiyon ngunit hindi nito tiyak na nalutas ang pisikal na estruktura nito.

Bakit hindi nangangahulugan ng salungatan ang dobleng flux

Ang tantiya para sa emisyong kaugnay ng positronium ay (3.2 ± 1.4) × 10 sa negatibong 2 power na photon bawat kuwadradong sentimetro bawat segundo. Pansamantalang sistemang binubuo ng electron at katapat nitong antimatter, ang positron, ang positronium. Naglalabas ito ng mga gamma ray kapag nag-annihilate, kabilang ang tuluy-tuloy na emisyong nag-aambag sa naobserbahang energy band.

Inihambing sa papel ang tantiyang ito sa sukat ng INTEGRAL na (1.4 ± 0.3) × 10 sa negatibong 2 power na photon bawat kuwadradong sentimetro bawat segundo. Kapag hinati ang mga sentrong halaga, 3.2 sa 1.4, makakakuha ng humigit-kumulang 2.3, na sumusuporta sa paglalarawan sa anunsiyo na halos doble ang resulta.

Magkaiba ang mga sentrong halaga, ngunit dapat isama sa paghahambing ang kawalang-katiyakan ng mga ito. Inilalarawan ng mga may-akda na tugma ang mga sukat sa loob ng isang sigma. Kaya dapat unawain ang bagong resulta bilang mas mataas na tantiya na nangangailangan ng mas mahusay na pagsukat, hindi bilang kumpirmadong salungatan sa INTEGRAL.

Hindi rin nakuha ang halaga ng positronium sa pagbibilang lamang ng mga photon na natukoy na nagmula rito. Para sa modelong may ilang bahagi, umabot sa (5.8 ± 1.2) × 10 sa negatibong 2 power na photon bawat kuwadradong sentimetro bawat segundo ang kabuuang nasukat na flux sa saklaw na 150 hanggang 600 keV.

Tinatantiya at ibinawas naman ng mga mananaliksik ang ambag ng inverse Compton na (2.6 ± 0.7) × 10 sa negatibong 2 power sa gayunding mga yunit. Nagaganap ang inverse Compton emission kapag inililipat ng mga electron na may mataas na enerhiya ang enerhiya sa mga photon. Nakaaapekto sa huling tantiya sa positronium ang kawalang-katiyakan sa namodelong ambag na ito.

Kailangan pa rin ng pagwawasto sa background ang direktang imaging

Nakababawas sa kalabuan ang mga panukat ng direksiyon ng camera, ngunit hindi nito inaalis ang pangangailangan sa bawat modelo o pagwawasto. Tahasang sinasabi sa manuskrito na hindi sapat ang bilang ng mga pangyayari upang makabuo ng ganap na hiwalay na muling pagtatantiya sa distribusyon ng diffuse emission.

Nangibabaw sa background sa naobserbahang saklaw ng enerhiya ang mga gamma ray mula sa atmospera. Nag-ambag din ang mga pangyayari mula sa cosmic ray at ang di-sinasadyang pagsabay ng magkakahiwalay na signal ng detector. Kahit nasa taas na naaabot ng lobo, maaari pa ring masipsip o makalat ang radyasyong mula sa kalawakan bago makarating sa teleskopyo.

Gumawa ang mga mananaliksik ng mga simulasyon sa mga epektong ito mula sa atmospera at nag-calibrate ng normalisasyon ng background gamit ang panahong nasa labas ng field of view ang Galactic center. Tinatantiya rin nila ang mga ambag ng mga kilalang maliwanag na pinagmulan gamit ang mga katalogo ng Swift at INTEGRAL.

Sa bandang 450 hanggang 600 keV, itinalaga sa background ang humigit-kumulang 92% ng mga natukoy na pangyayari sa bin ng pagsusuri sa Galactic center. Nagbigay ang papel ng signal-to-noise ratio na 8.8% para sa bandang ito. Inilalarawan ng porsiyentong ito ang pagkakabahagi ng mga piniling pangyayari, hindi ang 7.9 sigma na kabuluhan ng pagkakatuklas sa larawan.

Kailangan ding mag-ingat sa paghahambing sa ibang obserbatoryo sa ibang dahilan: hindi pare-pareho ang bahagi ng kalangitang sinusukat ng mga ito o ang paraang ginagamit sa pagbabawas ng mga pinagmulan. Gumamit ang pagsusuri ng ETCC ng gitnang rehiyong umaabot nang humigit-kumulang 33 degree sa magkabilang panig ng Galactic center, kapwa sa Galactic longitude at latitude.

Iba't ibang rehiyon ang ginamit sa mga siniping pagsusuri ng COSI at INTEGRAL. Isinaayos ng papel ang mga halaga ng intensity ng mga ito upang isaalang-alang ang pagkakaiba ng mga lawak na anggular, habang nagbabala na tantiya lamang ang paghahambing ng diffuse emission dahil nakasalalay din ito sa ipinapalagay na distribusyon ng radyasyon.

Gaano katalas ang bagong larawan?

Gumamit ang ETCC ng gas detector na may aktibong bolyum na 30 × 30 × 30 sentimetro upang maitala ang mga galaw ng electron. Pinalibutan ito ng 108 hanay ng scintillator upang matukoy ang mga nakakalat na gamma ray. Gumamit din ang mga mananaliksik ng convolutional neural network upang pagandahin ang muling pagtukoy sa mga direksiyon ng tumalbog na electron.

Sa 511 keV, ang katangiang enerhiya ng linyang nalilikha sa annihilation ng electron at positron, 20 degree ang half power radius ng instrumento. Nangangahulugan ito na kalahati ng mga pangyayaring muling binuo mula sa isang puntong pinagmulan ay nasa loob ng radius na 20 degree sa kalangitan.

14% ang energy resolution nito sa 511 keV, na ipinahayag bilang full width at half maximum ng tugon nito. Sinusukat nito kung gaano kalawak ang pagkakakalat sa naitalang spectrum ng mga pangyayari mula sa photon na iisa ang enerhiya.

Ipinakikita ng mga detalyeng ito kung bakit magkaibang tagumpay ang direktang imaging at ang tiyak na pagtukoy sa pinagmulan. Natutukoy ng camera ang mga direksiyon sa pamamagitan ng isang tiyak na tugon sa imaging, ngunit dahil malawak ang angular resolution nito, hindi nito mapagkakatiwalaang mapaghiwa-hiwalay ang mga bagay na nagsisiksikan sa rehiyon ng Galactic center.

Samakatuwid, pagpapakita ito ng isang pamamaraan, hindi pa ganap na solusyon sa estruktura ng rehiyon. Makakatulong ang mas malakas na signal, mas mahabang panahon ng pagmamasid, at mas mahusay na kakayahan ng instrumento upang matukoy kung aling paglalarawan ng espasyo ang higit na tumutugma sa kalangitan.

Hindi pa natutukoy ang pinagmumulan ng antimatter

Kilalang pinagmulan ang Galactic center ng linyang annihilation na 511 keV, ngunit hindi pa matiyak kung saan nagmumula ang mga positron nito. Binabanggit sa manuskrito ng pananaliksik na hindi maayos na tumutugma sa anumang kilalang populasyon ng mga bagay sa kalawakan ang naobserbahang distribusyon at kakaunti ang kaugnayan nito sa emisyon sa ibang mga wavelength.

Kabilang sa mga posibleng karaniwang pinagmulan na tinalakay sa papel ang mga radioactive nucleus na nalilikha ng malalaking bituin at supernova. Mga kandidato rin ang neutron star at black hole dahil maaaring lumikha ng mga electron at positron ang interaksiyon ng mga photon na may mataas na enerhiya sa paligid ng mga siksik na bagay na ito.

Kabilang sa iba pang hipotesis ang annihilation o pagkabulok ng dark matter at mga primordial black hole na mababa ang masa. Nabuo ang mga primordial black hole sa unang bahagi ng uniberso, sa halip na mula sa pagbagsak ng mga bituin. Ang mekanismo ng paglikha ng positron na tinatalakay sa papel ay Hawking radiation.

Wala sa mga paliwanag na ito ang pinatutunayan ng bagong larawan. Nililimitahan ng hindi pa nalulutas na distribusyon sa kalawakan, kawalang-katiyakan sa flux, at namodelong pagbabawas ng iba pang emisyon ang mga konklusyong maaaring mabuo tungkol sa pinagmulan nito.

Nasa obserbasyon ang mahalagang pagsulong: nagbubukas ng panibagong paraan upang subukin ang magkakatunggaling paliwanag ang isang instrumentong kayang sukatin ang direksiyon at enerhiya ng mga gamma ray sa pamamagitan ng linear na tugon. Hindi nito ginagawang patunay ng kakaibang pisika ang isang senyas na hindi pa maipaliwanag.

Layunin ng SMILE-3 ang susunod na pagsukat

Pinamumunuan ni Takada ang paghahanda para sa SMILE-3, na gagamit ng ETCC na may pinahusay na sensitivity. Inilalarawan ito ng anunsiyo ng JAXA bilang kandidato para sa susunod na planong pagkakataong magpalipad ng lobo sa Australia sa 2028. Hindi nito inaanunsiyo na napili na ang eksperimento o kumpirmado na ang petsa ng paglipad.

Ipinahihiwatig ng mga simulasyong tinalakay sa mga materyal ng pananaliksik na maaaring itaas ng mga pag-upgrade ang signal-to-noise ratio sa bandang 450 hanggang 600 keV mula 8.8% tungo sa humigit-kumulang 32%. Mga 3.6 na beses iyon ng kasalukuyang ratio, batay sa dalawang bilang na ito, ngunit projeksyon lamang ito at hindi pa resulta ng aktuwal na paglipad.

Itinuturo rin ng mga institusyon ang mas mahahabang obserbasyon gamit ang lobo at posibleng mga obserbasyon mula sa satelayt bilang mga paraan upang mapalawak ang pamamaraan. Kabilang sa mga target bukod sa Galactic center ang mga labi ng supernova, aktibong galactic nucleus, at pagsabog ng gamma ray.

Iniuugnay ng mga target na ito ang paraan ng imaging sa mga tiyak na sukat na siyentipiko: maaaring subaybayan ng radioactive emission ang mga reaksiyong nuklear at paglikha ng mga elemento, habang makatutulong ang iba pang signal ng gamma ray sa pag-aaral kung paano pinabibilis ang mga particle na may mataas na enerhiya. Gayunman, mas makitid ang agarang gawain: pagandahin ang instrumento at mangalap ng sapat na datos upang mas tiyak na masukat ang liwanag at hugis ng Galactic center.

Mahahalagang Punto

• Nakakita ang SMILE-2+ ng emisyon mula sa Galactic center sa saklaw na 150 hanggang 600 keV, na may sobrang signal na 7.9 sigma sa larawan nito.
• Ipinakikita ng resulta ang linear imaging gamit ang electron tracking Compton camera; hindi ito ang unang pagkakatuklas ng mga gamma ray mula sa rehiyon.
• Humigit-kumulang 2.3 beses ng sentrong halaga ng INTEGRAL ang tantiya sa flux na kaugnay ng positronium, ngunit inilalarawan sa papel na tugma sa estadistika ang mga sukat.
• Umaangkop sa datos ang tatlong magkakaibang modelo ng distribusyon, kaya hindi pa nalulutas ang detalyadong estruktura ng emisyon.
• Hindi pinatutunayan ng mga obserbasyon na dark matter o mga primordial black hole ang pinagmumulan ng mga positron.
• Inihahanda ang SMILE-3 bilang kandidato para sa planong pagkakataon ng JAXA na magpalipad ng lobo sa Australia sa 2028.