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高能预警!科学家发现迄今最强宇宙伽玛射线

    在中国西藏,海拔4300米的羊八井镇,坐落着一个国际宇宙线观测站。从地面看,这个观测站就好像一队队排列整齐的“高原哨兵”。它们在这里日夜站岗,长达数十年,默默守候着造访地球的宇宙线。

    就在近期,这个“高原阵队”取得了一项世界纪录级的成果——它捕获了迄今为止人类已知最高能量的宇宙伽玛射线辐射,能量高达450 TeV(4.5×1014电子伏特),是此前观测到的最高能量(75TeV)的五倍以上。

    这一成果,是由中科院高能物理研究所和日本东京大学宇宙线研究所共同合作,历经三十年的不懈坚持和探索,最终克服难关取得的新突破。

    研究一经公布立即引起了国际媒体的广泛关注,相关论文目前已经被物理学顶级期刊《物理评论快报》(Physical Review Letters)推选为高亮点论文,将在7月下旬正式发表。

“高能预警”来自何方?

    这次的高能射线是从哪里来的呢?科学家们通过分析确认这些宇宙伽玛射线辐射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。

  

成名已久的“蟹状星云”,宛如盛开在宇宙中的璀璨烟花。图片来源:NASA

     判断宇宙线的来源,需要依赖不带电的光子。原理很简单:带电粒子会在银河系的磁场中发生偏转,很可能绕了几道弯才来到地球,就无法判断它们出发的地点。而类似中微子、伽玛射线等光子是不带电的,它们不会受到磁场的影响,基本沿着直线前进,因此能够指引人们找到它们真实的源头。

    这次的测得的伽玛辐射所指的方向,正是蟹状星云的所在位置。

西藏ASγ实验观测到的最高能量伽玛射线(450TeV)的空气簇射在探测器上产生的密度分布,箭头所指的前端表示空气簇射的中心,箭头的方向表示到来的空气簇射(也就是伽玛辐射)的方向。图片来源:高能物理研究所

    除了确认粒子来源,研究超高能伽玛射线还有更重要的意义。这些极端粒子是探索极端宇宙的重要探针之一,了解伽玛光子所能达到的最高能量以及这些超高能光子能量的分布,研究产生超高能伽玛射线光子的各种可能天体,有助于揭示宇宙中极端天体的性质,以及其中的极端天体物理过程和规律。

    而对于蟹状星云来说,由于它在全电磁波段均具有较高的亮度,科学家已经从射电、光学、X射线直至伽玛射线的整个电磁波段对它进行了详细地观测和研究。但是,对于超高能光子的观测,就没有那么容易了。

能量越高观测越难

    为什么能量越高的宇宙线粒子越难观测?原因在于宇宙线能谱是负幂律谱,宇宙线粒子的流强会随能量的增加而急剧下降。对低能段的宇宙线(能量低于100TeV),主要依靠卫星实验和高空气球实验进行直接探测。对高能段的宇宙线,流强小到每平方米每秒大约只有一个粒子,已经无法利用卫星和高空气球直接探测,因而要借助地面设备进行间接探测。

    那么,如何进行间接探测?我们需要换一种思路。虽然人们没办法直接捕捉这些粒子,但是这些粒子在进入地球大气后,会与高空大气中的氧原子核和氮原子核发生相互作用,进而产生次级粒子,次级粒子中能量高的粒子继续发生反应产生更多的次级粒子,次级粒子再产生更多的粒子,这样的连锁反应就是“广延大气簇射”(Extensive Air Shower,EAS)。

原初宇宙线进入地球大气后,与大气中的原子核发生相互作用产生空气簇射的示意图。图片来源:高能物理研究所

    原初宇宙线粒子通过广延大气簇射过程后,高能量的粒子转化为能量较低的粒子,虽然能量降低,但粒子总数显著增加。如此一来,人们通过分析原始宇宙射线与大气的作用,就可以来反推原始宇宙射线的性质。

    间接探测方式主要有大气成像契伦科夫望远镜和广延大气簇射阵列探测器(EAS阵列)。此前,国际上探测到的最高能量的伽玛射线为75TeV,就是德国的HEGRA切伦科夫望远镜实验组观测到的。而这一次,中日合作ASγ实验团队发现超高能伽玛射线事例,靠的是西藏羊八井的EAS阵列与地下水切伦科夫探测器的强强组合。

“高原阵列”为何如此敏锐?

    西藏羊八井位于东经90.53°北纬30.11°,海拔4300米的羊八井镇。ASγ实验于1990年一期阵列建成并开始运行,后来经历了多次升级改造。

    之所以在选择在这样一个高海拔的地点“排兵布阵”,是由于它处在宇宙线簇射纵向发展的平均极大处,能够对赤纬-10°至+70°的许多北天区著名的源(如蟹状星云)进行连续而有效的观测,适合开展许多有物理意义的宇宙线课题的研究。自运行以来,羊八井ASγ实验阵列已经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65000平方米宇宙线表面探测阵列下,又新增加了有效面积4200平方米的地下缪子水切伦科夫探测器。利用这种地下缪子水切伦科夫探测器的数据,能够剔除99.92%的宇宙线背景噪声,在众多宇宙线中捕捉到稀有的超高能伽玛射线源。

地下缪子探测器,能准确测量宇宙线空气簇射次级粒子中所含缪子数目,甄别该事例是伽玛光子事例还是非伽玛光子事例。图片来源:高能物理研究所

    通过这样的技术,可以让羊八井ASγ实验排除99.92%的非伽玛光子宇宙线事例,从而显著降低它们对高能伽玛光子探测的影响,实现了在 20TeV以上能区的国际最高的伽玛射线探测灵敏度。

    合作组正是凭借地下水切伦科夫缪子探测器,使得西藏羊八井ASγ实验成为100TeV以上能区国际上最灵敏的伽玛射线天文台。在这次的研究中,它帮助科学家们在3年间陆续探测到了来自蟹状星云方向的24个高度可靠的100 TeV以上的伽玛射线事例。

    这标志着超高能伽玛射线天文观测进入到100 TeV以上的观测能段,打开了探索极端宇宙问题的新窗口,后续的运行还有望发现更多的超高能伽玛射线源。

启示与未来

    研究人员认为,这些100TeV以上的高能光子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。由此可以推断,“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,“蟹状星云”的电子加速能力至少高了上万倍。

    作为西藏羊八井ASγ实验的后续项目,中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。和ASγ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的高度。

    此外,在空间探测方面,高能所物理所正在牵头申请“探索极端宇宙”EXU国际合作大科学计划,其综合性能比现有的同类空间探测设备将有大幅度的提升,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面立体的观测研究,未来也将取得更加令人瞩目的成果,为人们揭开更多的宇宙未解之谜。





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