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最強宇宙伽馬射線造訪地球

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發布時間:2019-07-11  來源: 經濟日報

  坐落于西藏羊八井海拔4300多米雪域高原的國際宇宙線觀測站——ASgamma實驗陣列。(資料圖片)

  上圖 由3張不同太空望遠鏡拍攝照片合成的蟹狀星云圖,展示了其錯綜復雜的細節。(圖片來源:NANS)

西藏羊八井科學成果新聞發布會現場。

  西藏羊八井,海拔4300多米的雪域高原,坐落著一處國際宇宙線觀測站——ASgamma實驗陣列。在這里,一個個神秘的“白盒子”,日復一日靜靜守候著,以便萬里之外的“客人”們隨時造訪。時光不負情深。近日,迄今人類已知最高能量來自宇宙的光子——伽馬射線到達地球,被神秘的“白盒子”成功捕獲,引人期待。

  日前,由中國科學院高能物理研究所和日本東京大學宇宙線研究所共同主持的西藏羊八井ASgamma實驗團隊宣布:一些迄今人類已知來自宇宙的最高能量光子——伽馬射線到達地球,能量超過100TeV(eV:電子伏特,是能量的單位,代表一個電子經過1伏特的電位差加速后所獲得的動能。TeV表示萬億電子伏特,1TeV即10的12次方電子伏特),最高達450TeV,比此前國際上正式發表的最高能量高5倍以上。相關論文已被《物理評論快報》推選為高亮點論文,并將于7月下旬正式在線發表。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?經濟日報記者就此采訪了該實驗團隊的相關專家。

  來自外太空的宇宙線

  1912年,奧地利物理學家維克托·赫斯帶著自己設計的儀器,乘坐熱氣球,飛上了5300米的天空。因為這次大膽而瘋狂的實驗,這位科學家發現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,科學家們發現宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流。可到底是什么加速源頭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。目前科學界普遍認為,在銀河系主要有幾種加速源頭,比如超新星遺跡、黑洞、脈沖星風云等。

  這次觀測到蒞臨地球的“貴客”,經科學家分析確認,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注。它的能量來源則是位于其中的高速旋轉的脈沖星,即蟹狀星云脈沖星。

  早在公元1054年,北宋天文學家就詳細記錄了一次超新星爆發事件。而本次科學家發現的宇宙伽馬射線,就是來自該超新星爆發留下的遺跡——蟹狀星云。

  向著科學的高峰不斷攀登,近年來,科學家已經從射電、光學、X射線直至伽馬射線的整個電磁波段,對蟹狀星云開展了詳細的觀測和研究。但是,隨著光子能量的增加,蟹狀星云的光子流強越來越低,數量越來越少,觀測也越來越困難。此次新發現的超高能伽馬射線由此更顯寶貴。

  “通過監測超高能伽馬射線,推斷其加速能量來源,可以進一步了解宇宙天體的起源和演化。”南京大學天文與空間科學學院教授陳陽表示。

  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,在銀河系磁場中傳播時會發生偏轉,這是由于它們的抵達方向并不代表其加速源頭的真實位置。既然如此,何以判定此次新發現的宇宙伽馬射線源自赫赫有名的蟹狀星云?

  原來,到達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特殊的存在:伽馬射線呈電中性,不受磁場偏轉,能直指其產生的源頭。鑒于此,科學家們決定通過觀察不帶電不會偏轉的中性粒子——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生的,其觀測是研究高能帶電粒子加速過程及其發生的極端環境的獨特途徑,是探索極端宇宙的重要探針之一。”陳陽說。

  不過,探測伽馬射線也非易事。根據中國科學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過大氣層時,會與大氣作用產生空氣簇射,隨著大氣深度的增加,簇射會存在一個發展和消亡的過程。”利用這一現象,科學家們將觀測站建在了海拔4300多米的西藏羊八井地區。

  “羊八井的高度和大氣活動十分有利于做宇宙線成分和能譜的測量,尤其是100TeV級以上的超高能宇宙線。因為,海拔高地區大氣的遮蔽作用小,更適合探測伽馬射線產生的簇射,有利于捕捉伽馬射線。”黃晶解釋。

  此前,國際上探測到的最高能量伽馬射線為75TeV,由德國的切倫科夫望遠鏡HEGRA實驗組觀測到。有部分物理理論認為,伽馬射線不可能加速到100TeV以上。經過幾十年堅持不懈努力,此次,中日合作ASgamma實驗團隊發現了24個100TeV以上的伽馬射線事例,超出宇宙線背景5.6倍標準偏差。其中,能量最高的高達450TeV。這一發現,標志著人類對超高能伽馬射線的天文觀測首次進入到100TeV以上的觀測能段。物理學家們認為,該成果是人類“揭開宇宙線起源之謎途中的一個里程碑”。

  “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生逆康普頓散射的結果。而超高能電子、正電子則在蟹狀星云的脈沖星風云中產生。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,到達地球并被我們實驗所觀測到。”由此,黃晶等人推斷,蟹狀星云是“銀河系內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”升級助力科學發現

  本次重大天文現象的發現在科學界引起很大反響。這個成果與西藏羊八井ASgamma實驗的30年不懈堅持有著密不可分的關系。西藏羊八井ASgamma實驗位于海拔4300多米的西藏羊八井地區,1990年一期陣列建成并開始運行。后多次升級改造,在銀河系宇宙線的探測研究方面,做出了一系列重大發現。

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

  科學探索的腳步沒有就此停滯。黃晶告訴記者,我國正在四川稻城建設大面積高海拔宇宙線觀測站LHAASO,其部分設備已經建成并投入觀測運行。與ASgamma實驗相比,LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個數量級以上,將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進到一個新高度。

  此外,在空間探測方面,高能所正在牽頭申請“探索極端宇宙”EXU國際合作大科學計劃,其綜合性能比現有同類空間探測設備將有大幅提升,宇宙線物理和高能伽馬射線天文也是該計劃的主要科學目標。“EXU和LHAASO以及國內外的其他空間和高山天文臺相結合,將對宇宙極端天體和過程開展全天空、全時域、多波段和多信使的立體觀測研究。”黃晶說。(記者 沈 慧)

編輯:袁芳
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