日前，由中國科學(xué)院高能物理研究所和日本東京大學(xué)宇宙線研究所共同主持的西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)宣布：一些迄今人類已知來自宇宙的最高能量光子——伽馬射線到達(dá)地球，能量超過100TeV（eV:電子伏特，是能量的單位，代表一個(gè)電子經(jīng)過1伏特的電位差加速后所獲得的動(dòng)能。TeV表示萬億電子伏特，1TeV即10的12次方電子伏特），最高達(dá)450TeV，比此前國際上正式發(fā)表的最高能量高5倍以上。相關(guān)論文已被《物理評(píng)論快報(bào)》推選為高亮點(diǎn)論文，并將于7月下旬正式在線發(fā)表。這一地球之外的神秘未知超高能量的光力量，來自何方，又有何奧秘？經(jīng)濟(jì)日?qǐng)?bào)記者就此采訪了該實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)的相關(guān)專家。

 

　　來自外太空的宇宙線

 

　　1912年，奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯帶著自己設(shè)計(jì)的儀器，乘坐熱氣球，飛上了5300米的天空。因?yàn)檫@次大膽而瘋狂的實(shí)驗(yàn)，這位科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種來自地球外的“神秘力量”——宇宙線,它們每天都像雨一樣落在地球上，密密麻麻，悄無聲息。

 

　　后來，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流�？傻降资鞘裁醇铀僭搭^讓宇宙線能夠加速到如此高能量，并以接近光速射向地球？100多年過去了，宇宙線的起源仍是未解之謎。目前科學(xué)界普遍認(rèn)為，在銀河系主要有幾種加速源頭，比如超新星遺跡、黑洞、脈沖星風(fēng)云等。

 

　　這次觀測(cè)到蒞臨地球的“貴客”，經(jīng)科學(xué)家分析確認(rèn)，來自大名鼎鼎的蟹狀星云。蟹狀星云距離地球6500光年左右，是位于金牛座的超新星遺跡。在望遠(yuǎn)鏡中，這片星云形如一只橫爬的螃蟹而得名，因其在全電磁波段均具有較高亮度而備受關(guān)注。它的能量來源則是位于其中的高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星，即蟹狀星云脈沖星。

 

　　早在公元1054年，北宋天文學(xué)家就詳細(xì)記錄了一次超新星爆發(fā)事件。而本次科學(xué)家發(fā)現(xiàn)的宇宙伽馬射線，就是來自該超新星爆發(fā)留下的遺跡——蟹狀星云。

 

　　向著科學(xué)的高峰不斷攀登，近年來，科學(xué)家已經(jīng)從射電、光學(xué)、X射線直至伽馬射線的整個(gè)電磁波段，對(duì)蟹狀星云開展了詳細(xì)的觀測(cè)和研究。但是，隨著光子能量的增加，蟹狀星云的光子流強(qiáng)越來越低，數(shù)量越來越少，觀測(cè)也越來越困難。此次新發(fā)現(xiàn)的超高能伽馬射線由此更顯寶貴。

 

　　“通過監(jiān)測(cè)超高能伽馬射線，推斷其加速能量來源，可以進(jìn)一步了解宇宙天體的起源和演化。”南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院教授陳陽表示。

 

　　迄今最高能伽馬射線

 

　　一般來講，絕大部分宇宙線是帶電粒子，在銀河系磁場(chǎng)中傳播時(shí)會(huì)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，這是由于它們的抵達(dá)方向并不代表其加速源頭的真實(shí)位置。既然如此，何以判定此次新發(fā)現(xiàn)的宇宙伽馬射線源自赫赫有名的蟹狀星云？

 

　　原來，到達(dá)地球表面的那些五花八門的宇宙線，99%以上是帶電粒子，但宇宙伽馬射線卻是個(gè)特殊的存在：伽馬射線呈電中性，不受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，能直指其產(chǎn)生的源頭。鑒于此，科學(xué)家們決定通過觀察不帶電不會(huì)偏轉(zhuǎn)的中性粒子——伽馬射線，來研究它的加速源頭。“超高能量的伽馬射線是由高能帶電粒子產(chǎn)生的，其觀測(cè)是研究高能帶電粒子加速過程及其發(fā)生的極端環(huán)境的獨(dú)特途徑，是探索極端宇宙的重要探針之一。”陳陽說。

 

　　不過，探測(cè)伽馬射線也非易事。根據(jù)中國科學(xué)院高能物理研究所研究員黃晶的說法，超高能伽馬射線的流強(qiáng)太低，不到普通宇宙線的1%，而且全都淹沒在宇宙線的背景中了。“但超高能量的伽馬射線在經(jīng)過大氣層時(shí)，會(huì)與大氣作用產(chǎn)生空氣簇射，隨著大氣深度的增加，簇射會(huì)存在一個(gè)發(fā)展和消亡的過程。”利用這一現(xiàn)象，科學(xué)家們將觀測(cè)站建在了海拔4300多米的西藏羊八井地區(qū)。

 

　　“羊八井的高度和大氣活動(dòng)十分有利于做宇宙線成分和能譜的測(cè)量，尤其是100TeV級(jí)以上的超高能宇宙線。因?yàn)�，海拔高地區(qū)大氣的遮蔽作用小，更適合探測(cè)伽馬射線產(chǎn)生的簇射，有利于捕捉伽馬射線。”黃晶解釋。

 

　　此前，國際上探測(cè)到的最高能量伽馬射線為75TeV，由德國的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡HEGRA實(shí)驗(yàn)組觀測(cè)到。有部分物理理論認(rèn)為，伽馬射線不可能加速到100TeV以上。經(jīng)過幾十年堅(jiān)持不懈努力，此次，中日合作ASgamma實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了24個(gè)100TeV以上的伽馬射線事例，超出宇宙線背景5.6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差。其中，能量最高的高達(dá)450TeV。這一發(fā)現(xiàn)，標(biāo)志著人類對(duì)超高能伽馬射線的天文觀測(cè)首次進(jìn)入到100TeV以上的觀測(cè)能段。物理學(xué)家們認(rèn)為，該成果是人類“揭開宇宙線起源之謎途中的一個(gè)里程碑”。

 

　　“這些100TeV以上的伽馬射線，可能是更高能量的電子與周圍宇宙微波背景輻射光子發(fā)生逆康普頓散射的結(jié)果。而超高能電子、正電子則在蟹狀星云的脈沖星風(fēng)云中產(chǎn)生。正是這些超高能的電子賦予伽馬射線能量，讓這些伽馬射線加速到100TeV以上，到達(dá)地球并被我們實(shí)驗(yàn)所觀測(cè)到。”由此，黃晶等人推斷，蟹狀星云是“銀河系內(nèi)天然的高能粒子加速器”，與目前世界上最大的人工電子加速器（加速電子最高能量0.2TeV）相比，它的電子加速能力至少高了上萬倍。

 

　　“利器”升級(jí)助力科學(xué)發(fā)現(xiàn)

 

　　本次重大天文現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)在科學(xué)界引起很大反響。這個(gè)成果與西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)的30年不懈堅(jiān)持有著密不可分的關(guān)系。西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)位于海拔4300多米的西藏羊八井地區(qū)，1990年一期陣列建成并開始運(yùn)行。后多次升級(jí)改造，在銀河系宇宙線的探測(cè)研究方面，做出了一系列重大發(fā)現(xiàn)。

 

　　2014年，合作組成員在現(xiàn)有6.5萬平方米宇宙線表面探測(cè)陣列下面，新增加了有效面積達(dá)3400平方米的地下繆子水切倫科夫探測(cè)器。表面探測(cè)陣列主要用來探測(cè)宇宙線空氣簇射的次級(jí)帶電粒子；地下繆子水切倫科夫探測(cè)器陣列則主要用來探測(cè)次級(jí)粒子中的繆子數(shù)目。由此，西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)可剔除99.92%的宇宙線背景噪聲，從而得到超高能量的伽馬射線。正是憑借新開發(fā)的這個(gè)埋在地下2.5米深處的新探測(cè)器，西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)得以成為100TeV以上能區(qū)國際上最靈敏的伽馬射線天文臺(tái)，并因此首次實(shí)現(xiàn)100TeV以上伽馬射線的觀測(cè)。

 

　　科學(xué)探索的腳步?jīng)]有就此停滯。黃晶告訴記者，我國正在四川稻城建設(shè)大面積高海拔宇宙線觀測(cè)站LHAASO，其部分設(shè)備已經(jīng)建成并投入觀測(cè)運(yùn)行。與ASgamma實(shí)驗(yàn)相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進(jìn)到一個(gè)新高度。

 

　　此外，在空間探測(cè)方面，高能所正在牽頭申請(qǐng)“探索極端宇宙”EXU國際合作大科學(xué)計(jì)劃，其綜合性能比現(xiàn)有同類空間探測(cè)設(shè)備將有大幅提升，宇宙線物理和高能伽馬射線天文也是該計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)。“EXU和LHAASO以及國內(nèi)外的其他空間和高山天文臺(tái)相結(jié)合，將對(duì)宇宙極端天體和過程開展全天空、全時(shí)域、多波段和多信使的立體觀測(cè)研究。”黃晶說。

 

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