费米太空望远镜收集了 7 年的数据，然而，宇宙线的源头仍被笼罩在数据缺失的迷雾中。是的，数据缺失！
费米太空望远镜（图片来源：NASA）
撰文 Chris Lee
翻译 肖坤
审校 峰子
高能宇宙线始终陷于重重谜团之中。地球上所能探测到的宇宙线应该来源于银河系内部，否则不可能在穿过很长距离后还保持极高的能量。然而，就算离得不那么远，我们也没能找到这些射线的来源，它们看起来像是来自各个方向：不论朝哪个方向看，你看到高能宇宙线的概率总是一样。一项新的研究确证了这种高度一致性，让参与工作的 90 多位研究人员感到非常失望：大家不知道高能宇宙线源自何方。
生活在磨砂鱼缸里
想象一下，如果你生活在磨砂玻璃缸里，每天太阳升起时，你能看到光线均匀地从四面八方照射过来，几乎没法辨别它们是否来自同一个方向、同一个光源。除非光照足够强或者玻璃的磨砂程度不是太深，那样的话， 即使在各个方向都看到了光，你也能从某个方向上比四周稍微强那么一点点的光亮中辨别出那里一定有个光源。
你可能会想，很多点源分布在各个方向就能造成四面八方都有光线，这不是很简单么？然而，由于宇宙线由带电粒子组成，这些带电粒子会在宇宙杂散的磁场中“花式”散射。所以，即使可能只有少量几个发射源，我们仍能从各个方向看到宇宙线。另外，当带电粒子改变方向时，它们会发出光辐射并失去能量；反之亦然，带电粒子也可以因光照（与光子发生散射）而改变运动方向 。
来自四面八方的宇宙线
在这些散射的共同作用下，即使高能宇宙线来自同一个的源头，我们也难以分辨。而且散射会慢慢消耗带电粒子的能量，放慢它们的脚步。因此，除了看到高能宇宙线来自四面八方（就像我们透过磨砂玻璃缸观察到的那样），我们还知道，这些宇宙线的源头不可能离我们太远。因为从地球观测者的角度来看，从遥远源头发出的宇宙线经过长途跋涉到达地球时，它们所携带的能量必然所剩无几。
于是，科学家们发现自己处于一个尴尬的境地：显然高能宇宙线的源头距离我们很近，大约在 5000 光年的量级——仅仅是银河系直径（10 万-20 万光年）的一小部分。但是，如果这些源头真的离得这么近，我们理应能够通过仔细观察分辨出天空中的亮点和暗点。
但是实际观测并不像我们想象中那样容易。研究人员通过费米大面积望远镜（即在轨伽玛射线太空望远镜）进行了长达 7 年的观测。积累了 7 年的观测数据听起来好像有很多，但其中的观测事例极为有限：在某个指定方向上，每年大约只能观测到两次能量高于 500GeV 的宇宙线。
一切都归为统计
接下来的问题就是：根据观测到的事例，这些宇宙线更加“偏爱”某个方向吗？我们需要多少观测事例才能得出可靠的结论？
要回答这些问题并不容易。先想想简单的扔硬币吧！对一枚质地均匀的硬币，我们可以预计正面朝上和反面朝上的次数最终趋于相等。但是如果只扔 10 次，那么正面朝上的次数很有可能不是 5 次。刚才我扔了 10 次，其中有 7 次都是反面朝上；而我的女儿 Jennifer 也扔了 10 次，其中 4 次是反面朝上。结果都不是平均值。尽管如此，对于一个样本数为 10 的实验，某一面朝上的次数依然最有可能介于 4 到 6 次之间。
对于更大的样本数，我们会得到更加接近平均值的结果。结合我和 Jennifer 的投币结果，我们俩总共扔了 20 次，其中有 11 次是反面朝上，这已经接近平均值了。在这种情况下，最有可能的次数是 8 到 12 次。
问题的关键在于：采用较小的样本数会导致实验结果与平均值之间存在较大的相对误差。为了确定宇宙线是否来自于某个特定方向，仅仅在这个方向上探测到高于平均值的事例数可不够。我们还要求探测到的事例数多到足以排除随机性带来的影响。
当然，宇宙射线的数据分析比扔硬币复杂。研究人员需要足够好的宇宙线传播模型，并且采用多种数据分析方法。每种分析方法都应该自洽，并且在使用模拟数据进行分析时，不同的方法应该给出类似的结果。新论文的核心就在于此——证明采用的数据分析方法是可靠的。
即便如此，观测到的事例数还是不足以断定高能宇宙线更倾向于来自哪个方向。不过，统计表明只有当宇宙射线源足够年轻且离我们足够近时才有可能被我们探测到。对于那些更加遥远和古老的源，我们需要的观测事例多得多。
幸运的是，费米太空望远镜仍在正常运转并收集数据。如果一切顺利，我们可以预计在未来五年里得到更好的分析结果。
原文链接 https://arstechnica.com/science/2017/03/we-still-dont-know-where-cosmic-rays-are-coming-from/
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论文基本信息
【题目】 Search for Cosmic-Ray Electron and Positron Anisotropies with Seven Years of Fermi Large Area Telescope Data
【作者】 S. Abdollahi et al. (Fermi-LAT Collaboration)
【刊期】 Phys. Rev. Lett. 118, 091103
【日期】 Published 1 March 2017
【doi】 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.118.091103
【摘要】 The Large Area Telescope on board the Fermi Gamma-ray Space Telescope has collected the largest ever sample of high-energy cosmic-ray electron and positron events since the beginning of its operation. Potential anisotropies in the arrival directions of cosmic-ray electrons or positrons could be a signature of the presence of nearby sources. We use almost seven years of data with energies above 42 GeV processed with the Pass 8 reconstruction. The present data sample can probe dipole anisotropies down to a level of
10^-3. We take into account systematic effects that could mimic true anisotropies at this level. We present a detailed study of the event selection optimization of the cosmic-ray electrons and positrons to be used for anisotropy searches. Since no significant anisotropies have been detected on any angular scale, we present upper limits on the dipole anisotropy. The present constraints are among the strongest to date probing the presence of nearby young and middle-aged sources.
【链接】 http://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.118.091103
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