氣球飛行揭示 7.9 sigma 訊號
2018 年搭載望遠鏡飛越澳洲的氣球，拍下銀河系中心伽瑪射線發射的直接影像，在 150 至 600 keV 能量範圍偵測到高於背景輻射 7.9 個標準差的訊號。這項成果展示了一種新的成像方法，適用於長期難以精確觀測的能量範圍。
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日本宇宙航空研究開發機構（JAXA）、北里大學、日本產業技術綜合研究所及京都大學於 2026 年 10 月 6 日公布研究成果。他們的聯合研究公告指出，這是首次運用基於幾何光學原理的線性成像，在這些能量下精確取得銀河中心正子湮滅輻射光譜。
這項區別很重要。這並非首次在該區域偵測到伽瑪射線或反物質湮滅，而是展示了一種不同方法，能將抵達的伽瑪射線對應到影像中的位置，讓亮度與能量測量較不依賴對天體來源分布的假設。
研究也估算出一項與正電子素相關的輻射，其數值約為先前 INTEGRAL 測量值的兩倍。不過，這項估算的不確定性相當大，論文指出兩項測量在統計上相符。這項結果並不能證明銀河中心變得更亮，也不能證明已偵測到暗物質。
研究團隊成員包括北里大學教授、京都大學名譽教授谷森達；產業技術綜合研究所研究員池田智則；京都大學副教授高田敦；以及 JAXA 宇宙科學研究所助理教授水村好貴。團隊正籌備下一項實驗 SMILE-3，並將其列為 JAXA 2028 年澳洲氣球飛行機會的候選計畫。
相機帶來的改變
這台儀器是電子追蹤康普頓相機（ETCC）。它不像傳統光學透鏡那樣收集伽瑪射線，而是根據射線在探測器內的交互作用，重建其抵達方向。
伽瑪射線發生康普頓散射時，會將部分能量傳給電子，並朝不同方向繼續前進。傳統康普頓相機會測量散射後的光子，但無法充分測量反沖電子的方向。因此，單一事件只能指向天空中一圈可能的位置，而非一個明確方向。
ETCC 會記錄電子軌跡，以及散射光子的能量和位置。綜合這些測量結果，就能重建入射方向，並在影像中標示出明確位置，但仍受限於儀器的角度不確定性。
這讓線性成像成為可能。簡單來說，無論單獨觀測某個來源，或同時觀測其他來源，測得的該來源貢獻都應保持一致。如此一來，影像便可用於定量測量亮度，而非主要依賴複雜的重建方式來處理重疊的圓環。
與光學天文學相提並論，指的是成像原理，而非硬體或影像清晰度。ETCC 不會用玻璃透鏡聚焦伽瑪射線，拍攝的銀河中心影像也仍相當寬廣。它的進展在於，偵測到的事件與天空位置之間建立了更直接、可測量的關係。
朝向銀河中心觀測五小時
SMILE-2+ 氣球於 2018 年 4 月 7 日澳洲中部標準時間 06:24，從澳洲中部的愛麗斯泉升空。飛行約持續一天，但能觀測銀河中心的有效時間短得多。
根據研究手稿，銀河中心約於 4 月 8 日 01:00 進入選定視野，並維持可觀測約五小時。影像採用氣球處於穩定高度期間的資料，當時氣球飄浮於約 39.6 公里高空。
望遠鏡的視野為 3.1 球面度。球面度衡量的是角面積，而非平面表面積。相較於整個天空約 12.6 球面度，儀器一次大約可涵蓋四分之一的天空；不過，分析時限制了觀測方向，以降低大氣污染的影響。
以下時間軸區分了原始飛行與後續科學分析：
- 2018 年 4 月 7 日：SMILE-2+ 從愛麗斯泉升空。
- 2018 年 4 月 8 日：銀河中心約有五小時可供觀測。
- 2022 年：團隊在《天文物理期刊》發表銀河中心偵測的初步報告。
- 2026 年 8 月 11 日：新成像與光譜研究刊於《物理評論 D》。
- 2026 年 10 月 6 日：日本四個機構聯合公布研究成果。
- 2028 年：JAXA 規劃在澳洲提供氣球飛行機會，SMILE-3 為候選計畫之一。
強烈訊號不等於詳細地圖
刊登於《物理評論 D》的論文為第 114 卷、文章編號 043026，報告銀河中心影像中有 7.9 sigma 的訊號超額。Sigma 表示訊號相對於估算背景預期統計波動的大小。
在所採用的分析方法下，這是該影像存在輻射的有力證據。但光憑此結果，無法辨識產生輻射的天體，也無法判定輻射是集中於小型來源，還是分散在廣大區域。
作者檢驗了三種輻射描述：銀河中心的單一來源、由多個成分構成的結構，以及以二維高斯分布描述的平滑對稱分布。多成分結構包括狹窄核球、寬廣核球、微弱盤面及中心來源。
研究執行者池田與共同作者在論文摘要中指出，觀測結果無法明確區分這些描述：
三種描述在統計上都與資料相符。
高斯擬合得到的寬度為 26 ± 12 度，相當於半高全寬 61 ± 28 度。然而，統計檢定並未證明必須採用延展來源模型。因此，團隊可靠地偵測到該區域的訊號，但尚未能確切解析其物理結構。
為何通量是兩倍不代表結果矛盾
正電子素相關輻射的估算值為 (3.2 ± 1.4) × 10 的負 2 次方個光子／平方公分／秒。正電子素是由電子及其反物質對應粒子正子暫時結合而成的系統。它湮滅時會產生伽瑪射線，其中也包括在觀測能量範圍內有貢獻的連續光譜。
論文將此估算值與 INTEGRAL 測得的 (1.4 ± 0.3) × 10 的負 2 次方個光子／平方公分／秒相比。以中心值相除，3.2 除以 1.4 約為 2.3，支持公告所稱結果約高出一倍的說法。
中心值雖有差異，但比較時必須將不確定性納入考量。作者指出兩項測量在一個 sigma 的範圍內相符。因此，新結果應解讀為較高、仍待更精確測量的估算，而非已確認與 INTEGRAL 不一致。
正電子素數值也不是只計算可明確辨認為來自正電子素的光子。在多成分模型下，150 至 600 keV 範圍內測得的總通量為 (5.8 ± 1.2) × 10 的負 2 次方個光子／平方公分／秒。
研究人員接著估算並扣除同一單位下為 (2.6 ± 0.7) × 10 的負 2 次方的逆康普頓輻射貢獻。逆康普頓輻射是高能電子將能量傳給光子時產生的輻射。這項模型估算的貢獻也會影響最終正電子素數值的不確定性。
直接成像仍須修正背景
相機的方向測量降低了模糊性，但並未消除所有模型假設或修正需求。手稿明確指出，事件數量有限，無法完全獨立地重建瀰漫輻射的分布。
在觀測能量範圍內，大氣伽瑪射線是主要背景。宇宙射線事件，以及探測器中無關訊號偶然同時出現，也有影響。即使在氣球高度，來自太空的輻射在抵達望遠鏡前仍可能被吸收或散射。
研究人員模擬了這些大氣效應，並利用銀河中心位於視野外的時段校準背景正規化。他們也使用 Swift 和 INTEGRAL 星表，估算已知明亮來源的貢獻。
在 450 至 600 keV 能帶中，銀河中心分析區域內約 92% 的偵測事件被歸類為背景。論文指出該能帶的訊噪比為 8.8%。這個百分比描述選定事件的組成，並非影像偵測的 7.9 sigma 顯著度。
與其他天文台比較時也須謹慎，因為各觀測不一定涵蓋相同天空區域，扣除來源的方法也不同。ETCC 分析採用的中心區域，在銀經和銀緯方向上各自延伸至距銀河中心約 33 度。
論文引用的 COSI 和 INTEGRAL 分析使用不同區域。論文依不同角面積調整其強度值，同時提醒，瀰漫輻射的比較仍屬近似，因為結果也取決於所假設的輻射分布。
新影像有多清晰？
ETCC 使用有效體積為 30 × 30 × 30 公分的氣體探測器記錄電子軌跡，外圍則配置 108 組閃爍體陣列來偵測散射伽瑪射線。研究人員也使用卷積神經網路，改善反沖電子方向的重建。
在電子與正子湮滅特徵能量 511 keV 下，儀器的半功率半徑為 20 度。這表示點狀來源的重建事件中，有一半落在 20 度角半徑內。
儀器在 511 keV 下的能量解析度為 14%，以響應的半高全寬表示。這項數值衡量單一光子能量的事件在記錄光譜中分散的範圍。
這些規格說明，直接成像與精確辨認來源是兩項不同成果。相機能依據明確的成像響應標示方向，但其寬廣的角解析度，無法可靠地分辨擠在銀河中心區域內的個別天體。
因此，這台儀器展示的是一種方法，而非已能完整解決該區域結構問題的方案。更強的訊號、更長的觀測時間及更佳的效能，都有助於判定哪種空間分布最符合實際天空。
反物質來源仍未明
銀河中心是 511 keV 湮滅譜線的重要來源，但其中正子的起源仍不確定。研究手稿指出，觀測到的分布難以與任何已知天體族群完全吻合，且與其他波長的輻射幾乎沒有相關性。
論文討論的可能常規來源包括大質量恆星與超新星產生的放射性原子核。中子星和黑洞也在候選之列，因為緻密天體周遭的高能光子交互作用可能產生電子與正子。
其他假說包括暗物質湮滅或衰變，以及低質量原初黑洞。原初黑洞是在早期宇宙形成，而非由恆星塌縮形成。論文討論的一種正子產生機制是霍金輻射。
這張新影像並未證實上述任何一種解釋。空間分布尚未解析、通量估算仍有不確定性，以及需透過模型扣除其他輻射，這些因素都限制了對來源能下的結論。
這項進展的價值在於觀測方式：能以線性響應測量伽瑪射線方向與能量的儀器，為檢驗不同解釋提供另一種方法。它並未將尚無解釋的訊號轉化為奇異物理現象的證據。
SMILE-3 鎖定下一次測量
高田正帶領團隊籌備 SMILE-3，這項計畫將採用靈敏度更高的 ETCC。JAXA 公告指出，SMILE-3 是規劃於 2028 年舉行的下一次澳洲氣球飛行機會之候選實驗，並未宣布已完成遴選或確認發射日期。
研究資料中的模擬顯示，升級後可將 450 至 600 keV 能帶的訊噪比從 8.8% 提高至約 32%。根據這兩個數字計算，約為目前比值的 3.6 倍；但這仍是預測，而非已經飛行驗證的成果。
相關機構也指出，延長氣球觀測時間及可能進行衛星觀測，都是拓展這項技術的方法。銀河中心之外，擬議觀測目標還包括超新星殘骸、活躍星系核及伽瑪射線暴。
這些目標將成像方法連結到具體科學測量：放射性輻射可追蹤核反應與元素生成，其他伽瑪射線訊號則可用來探測高能粒子的加速過程。不過，當前任務更明確：改良儀器並收集足夠資料，以更確切地測量銀河中心的亮度與形狀。
重點整理
- SMILE-2+ 在 150 至 600 keV 範圍偵測到銀河中心輻射，影像中有 7.9 sigma 的訊號超額。
- 這項成果展示電子追蹤康普頓相機的線性成像能力，並非首次發現該區域的伽瑪射線。
- 正電子素相關通量估算值約為 INTEGRAL 中心值的 2.3 倍，但論文指出兩項測量在統計上相符。
- 三種不同空間模型都符合資料，因此輻射的詳細結構仍未解析。
- 觀測結果並未證明暗物質或原初黑洞是正子的來源。
- SMILE-3 正籌備成為 JAXA 規劃於 2028 年舉行的澳洲氣球飛行機會之候選計畫。
