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最强宇宙伽马射线造访地球

作者: 沈 慧 来源: 经济日报
2019-07-11 07:46 
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坐落于西藏羊八井海拔4300多米雪域高原的国际宇宙线观测站——ASgamma实验阵列。(资料图片)

上图 由3张不同太空望远镜拍摄照片合成的蟹状星云图,展示了其错综复杂的细节。(图片来源:NANS)

  西藏羊八井科学成果新闻发布会现场。

西藏羊八井,海拔4300多米的雪域高原,坐落着一处国际宇宙线观测站——ASgamma实验阵列。在这里,一个个神秘的“白盒子”,日复一日静静守候着,以便万里之外的“客人”们随时造访。时光不负情深。近日,迄今人类已知最高能量来自宇宙的光子——伽马射线到达地球,被神秘的“白盒子”成功捕获,引人期待。

日前,由中国科学院高能物理研究所和日本东京大学宇宙线研究所共同主持的西藏羊八井ASgamma实验团队宣布:一些迄今人类已知来自宇宙的最高能量光子——伽马射线到达地球,能量超过100TeV(eV:电子伏特,是能量的单位,代表一个电子经过1伏特的电位差加速后所获得的动能。TeV表示万亿电子伏特,1TeV即10的12次方电子伏特),最高达450TeV,比此前国际上正式发表的最高能量高5倍以上。相关论文已被《物理评论快报》推选为高亮点论文,并将于7月下旬正式在线发表。这一地球之外的神秘未知超高能量的光力量,来自何方,又有何奥秘?经济日报记者就此采访了该实验团队的相关专家。

来自外太空的宇宙线

1912年,奥地利物理学家维克托·赫斯带着自己设计的仪器,乘坐热气球,飞上了5300米的天空。因为这次大胆而疯狂的实验,这位科学家发现了一种来自地球外的“神秘力量”——宇宙线,它们每天都像雨一样落在地球上,密密麻麻,悄无声息。

后来,科学家们发现宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流。可到底是什么加速源头让宇宙线能够加速到如此高能量,并以接近光速射向地球?100多年过去了,宇宙线的起源仍是未解之谜。目前科学界普遍认为,在银河系主要有几种加速源头,比如超新星遗迹、黑洞、脉冲星风云等。

这次观测到莅临地球的“贵客”,经科学家分析确认,来自大名鼎鼎的蟹状星云。蟹状星云距离地球6500光年左右,是位于金牛座的超新星遗迹。在望远镜中,这片星云形如一只横爬的螃蟹而得名,因其在全电磁波段均具有较高亮度而备受关注。它的能量来源则是位于其中的高速旋转的脉冲星,即蟹状星云脉冲星。

早在公元1054年,北宋天文学家就详细记录了一次超新星爆发事件。而本次科学家发现的宇宙伽马射线,就是来自该超新星爆发留下的遗迹——蟹状星云。

向着科学的高峰不断攀登,近年来,科学家已经从射电、光学、X射线直至伽马射线的整个电磁波段,对蟹状星云开展了详细的观测和研究。但是,随着光子能量的增加,蟹状星云的光子流强越来越低,数量越来越少,观测也越来越困难。此次新发现的超高能伽马射线由此更显宝贵。

“通过监测超高能伽马射线,推断其加速能量来源,可以进一步了解宇宙天体的起源和演化。”南京大学天文与空间科学学院教授陈阳表示。

迄今最高能伽马射线

一般来讲,绝大部分宇宙线是带电粒子,在银河系磁场中传播时会发生偏转,这是由于它们的抵达方向并不代表其加速源头的真实位置。既然如此,何以判定此次新发现的宇宙伽马射线源自赫赫有名的蟹状星云?

原来,到达地球表面的那些五花八门的宇宙线,99%以上是带电粒子,但宇宙伽马射线却是个特殊的存在:伽马射线呈电中性,不受磁场偏转,能直指其产生的源头。鉴于此,科学家们决定通过观察不带电不会偏转的中性粒子——伽马射线,来研究它的加速源头。“超高能量的伽马射线是由高能带电粒子产生的,其观测是研究高能带电粒子加速过程及其发生的极端环境的独特途径,是探索极端宇宙的重要探针之一。”陈阳说。

不过,探测伽马射线也非易事。根据中国科学院高能物理研究所研究员黄晶的说法,超高能伽马射线的流强太低,不到普通宇宙线的1%,而且全都淹没在宇宙线的背景中了。“但超高能量的伽马射线在经过大气层时,会与大气作用产生空气簇射,随着大气深度的增加,簇射会存在一个发展和消亡的过程。”利用这一现象,科学家们将观测站建在了海拔4300多米的西藏羊八井地区。

“羊八井的高度和大气活动十分有利于做宇宙线成分和能谱的测量,尤其是100TeV级以上的超高能宇宙线。因为,海拔高地区大气的遮蔽作用小,更适合探测伽马射线产生的簇射,有利于捕捉伽马射线。”黄晶解释。

此前,国际上探测到的最高能量伽马射线为75TeV,由德国的切伦科夫望远镜HEGRA实验组观测到。有部分物理理论认为,伽马射线不可能加速到100TeV以上。经过几十年坚持不懈努力,此次,中日合作ASgamma实验团队发现了24个100TeV以上的伽马射线事例,超出宇宙线背景5.6倍标准偏差。其中,能量最高的高达450TeV。这一发现,标志着人类对超高能伽马射线的天文观测首次进入到100TeV以上的观测能段。物理学家们认为,该成果是人类“揭开宇宙线起源之谜途中的一个里程碑”。

“这些100TeV以上的伽马射线,可能是更高能量的电子与周围宇宙微波背景辐射光子发生逆康普顿散射的结果。而超高能电子、正电子则在蟹状星云的脉冲星风云中产生。正是这些超高能的电子赋予伽马射线能量,让这些伽马射线加速到100TeV以上,到达地球并被我们实验所观测到。”由此,黄晶等人推断,蟹状星云是“银河系内天然的高能粒子加速器”,与目前世界上最大的人工电子加速器(加速电子最高能量0.2TeV)相比,它的电子加速能力至少高了上万倍。

“利器”升级助力科学发现

本次重大天文现象的发现在科学界引起很大反响。这个成果与西藏羊八井ASgamma实验的30年不懈坚持有着密不可分的关系。西藏羊八井ASgamma实验位于海拔4300多米的西藏羊八井地区,1990年一期阵列建成并开始运行。后多次升级改造,在银河系宇宙线的探测研究方面,做出了一系列重大发现。

2014年,合作组成员在现有6.5万平方米宇宙线表面探测阵列下面,新增加了有效面积达3400平方米的地下缪子水切伦科夫探测器。表面探测阵列主要用来探测宇宙线空气簇射的次级带电粒子;地下缪子水切伦科夫探测器阵列则主要用来探测次级粒子中的缪子数目。由此,西藏羊八井ASgamma实验可剔除99.92%的宇宙线背景噪声,从而得到超高能量的伽马射线。正是凭借新开发的这个埋在地下2.5米深处的新探测器,西藏羊八井ASgamma实验得以成为100TeV以上能区国际上最灵敏的伽马射线天文台,并因此首次实现100TeV以上伽马射线的观测。

科学探索的脚步没有就此停滞。黄晶告诉记者,我国正在四川稻城建设大面积高海拔宇宙线观测站LHAASO,其部分设备已经建成并投入观测运行。与ASgamma实验相比,LHAASO的能量范围和灵敏度要高一个数量级以上,将把宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新高度。

此外,在空间探测方面,高能所正在牵头申请“探索极端宇宙”EXU国际合作大科学计划,其综合性能比现有同类空间探测设备将有大幅提升,宇宙线物理和高能伽马射线天文也是该计划的主要科学目标。“EXU和LHAASO以及国内外的其他空间和高山天文台相结合,将对宇宙极端天体和过程开展全天空、全时域、多波段和多信使的立体观测研究。”黄晶说。(记者 沈 慧)

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