宇宙“超級加速器”現身

旅順廣播電視網綜合 劉 欣2019-07-04 09:57:15
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宇宙“超級加速器”現身  
 

宇宙“超級加速器”現身

西藏羊八井ASgamma實驗表面陣列 中科院高能物理研究所供圖

■本報記者 丁佳

在追求“更高、更快、更強”上,高能物理學家跟運動員可能沒有什么區別。在全球各地,一個個大型加速器日夜不停地運轉著,試圖揭開更多的科學秘密。

不過,宇宙似乎總是能輕而易舉地將人類“秒殺”。7月3日,中國科學院高能物理研究所在北京宣布,中日合作實驗團隊利用我國西藏羊八井ASgamma實驗陣列,于近日發現了迄今為止最高能量的宇宙伽馬射線,比此前國際上正式發表的最高能量高5倍。相關論文已被《物理評論快報》推選為高亮點論文,并將于7月下旬在線發表。

熱氣球帶來的未解之謎

1912年,奧地利物理學家維克托·赫斯帶著自己設計的儀器,坐著熱氣球,飛上了5300米的天空。這次大膽而瘋狂的實驗,讓宇宙線第一次被人類發現,赫斯也因此獲得了1936年諾貝爾物理學獎。人們驚訝地發現,這些來自外太空的高能粒子,每天都會像雨一樣落在地球上,密密麻麻,悄無聲息。

然而,100多年過去了,宇宙線的起源卻仍是未解之謎。“非光子成分的帶電宇宙線在銀河系磁場中會發生偏轉,因此它們的抵達方向并不能代表其加速源頭的真實位置。”中國科學院高能物理研究所研究員黃晶說。

幸好還有一個例外。伽馬射線光子是電中性的,不會發生偏轉,能直指其產生的源頭,而超高能量的伽馬射線又是由高能帶電粒子產生的。因此,超高能伽馬射線觀測是研究這些極端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。

但是,探測伽馬射線同樣困難。黃晶解釋稱:“超高能伽馬射線的流強太低,不到宇宙線的1%,全都淹沒在宇宙線的背景中了,所以我們很難從中挑出伽馬射線。”

“利器”升級 全程“高能”

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實驗位于海拔4300米的西藏羊八井地區,1990年一期陣列建成并開始運行,后經多次升級改造。羊八井實驗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,合作組成員在現有探測陣列下面新增加了地下繆子水切倫科夫探測器(有效面積4200平方米)。利用這種地下繆子水切倫科夫探測器的數據,科學家能夠剔除99.92%的宇宙線背景噪聲。

正是憑借這個埋在地下2.5米的新探測器,使得西藏羊八井實驗成為了國際上100TeV以上能區最靈敏的伽馬射線天文臺,并取得了本次成果。

此次中日合作實驗共發現了24個100 TeV以上的伽馬射線事例,超出宇宙線背景5.6倍標準偏差,其中能量最高的約為450TeV。而此前國際上探測到的最高能量的伽馬射線為75TeV,由德國的切倫科夫望遠鏡實驗組觀測到。

這一發現,標志著人類對超高能伽馬射線的天文觀測進入到100TeV以上的觀測能段。南京大學教授陳陽評論稱,該成果是人類“揭開宇宙線起源之謎途中的一個里程碑”。

宇宙“網紅”的秘密

這些宇宙伽馬射線所指向的來源,是一個古老的宇宙“網紅”——蟹狀星云。

作為金牛座的著名超新星遺跡,早在1054年,我國宋朝天文學家就詳細記錄了該超新星的爆發現象。蟹狀星云距離地球6500光年左右,其能量來源是位于其中的高速旋轉的脈沖星,即蟹狀星云脈沖星。

蟹狀星云因其在全電磁波段均具有較高亮度而備受關注。多年來,全球科學家在從射電、光學、X射線直至伽馬射線的整個電磁波段對其進行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,觀測也越來越困難。

這也讓新發現的超高能伽馬射線更加難能可貴。科研人員認為,這些100TeV以上的高能光子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、正電子則是在蟹狀星云的脈沖星風云中產生。

由此科學家推斷,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相比,蟹狀星云的電子加速能力至少要高上萬倍。

當然,人類的好奇心絕不會滿足于此。作為西藏羊八井實驗的后續項目,我國正在四川稻城建設大面積高海拔宇宙線觀測站(LHAASO),部分設備已經建成并投入觀測運行。

“與羊八井實驗相比,稻城實驗的能量范圍和靈敏度還要高一個數量級以上。”中國科學院高能物理研究所副所長魏龍介紹,“它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。”

《中國科學報》 (2019-07-04 第1版 要聞)