出品：科普中國

　　制作：覃拈（武漢大學(xué)物理學(xué)博士）

　　監(jiān)制：中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

　　近日，位于中國西藏的ASγ實(shí)驗(yàn)觀測到迄今為止最高能量的宇宙伽馬射線，最高能量接近1 PeV(1000萬億電子伏特)，這是國際上首次發(fā)現(xiàn)拍電子伏特宇宙線加速器（PeVatron）在銀河系中存在的證據(jù)。該成果被國際同行稱為解開高能宇宙線起源“世紀(jì)之謎”的里程碑。

　　圖1：圖中的霧狀結(jié)構(gòu)是銀河系銀盤的星際分子，黃色點(diǎn)是超高能伽馬射線的分布，陰影部分是西藏觀測站的觀測盲區(qū)。圖源：ASγ實(shí)驗(yàn)

　　冷戰(zhàn)的美蘇雙方，聯(lián)手開啟伽馬射線天文學(xué)

　　冷戰(zhàn)時(shí)期，美國和蘇聯(lián)簽訂了禁止部分核試驗(yàn)的條約。為了監(jiān)視蘇聯(lián)方面對條約的執(zhí)行情況，美國專門發(fā)射了一系列名叫Vela的偵察衛(wèi)星，這種衛(wèi)星上裝有監(jiān)測伽馬射線的探測儀器。

　　如果地球上有人進(jìn)行核爆炸試驗(yàn)，試驗(yàn)將產(chǎn)生大量的伽馬射線，Vela衛(wèi)星可以探測到這種高能射線，幫助定位試驗(yàn)在地球上的發(fā)生地點(diǎn)。

　　1967年，Vela衛(wèi)星多次探測到伽馬射線的突然增強(qiáng)，隨即又快速減弱。這種來無影去無蹤的發(fā)現(xiàn)讓美國人嚇了一跳，難道蘇聯(lián)人在如此密集地進(jìn)行核試驗(yàn)？進(jìn)一步檢查發(fā)現(xiàn)，伽馬射線的爆發(fā)現(xiàn)象是隨機(jī)發(fā)生的，大約每天發(fā)生一到兩次，強(qiáng)度可以超過全天伽馬射線的總和。這種爆發(fā)的來源不是地球，而是宇宙空間。

　　來自冷戰(zhàn)背景的軍事偵察衛(wèi)星，沒有監(jiān)測到核試驗(yàn)的伽馬射線，反而很意外地發(fā)現(xiàn)了來自宇宙的伽馬射線。

　　美國Vela衛(wèi)星的發(fā)現(xiàn)，隨后還被蘇聯(lián)的Konus衛(wèi)星證實(shí)。歷史就是這么有趣，冷戰(zhàn)的美蘇雙方，聯(lián)手開啟了伽馬射線天文學(xué)。對宇宙伽馬射線的研究，如今已成為最為炙手可熱的研究領(lǐng)域之一。

　　宇宙中最亮的仔

　　我們在初中物理學(xué)過牛頓的三棱鏡色散實(shí)驗(yàn)：一束白光經(jīng)過三棱鏡會分成赤、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫的七色光，不同顏色的光具有不同的頻率，波長和能量也不同，它們都是可見光，能被人類的眼睛看到。

　　圖2：三棱鏡色散實(shí)驗(yàn) 圖源：維基百科

　　伽馬射線本質(zhì)上也是一種光，但是肉眼不可見。它的波長非常短，能量特別高，比普通可見光的能量高成千上萬倍。作為對比，能被人類看到的可見光里面，紫光的能量最高，能量大約3 eV（電子伏特）左右。伽馬射線的能量卻在10000 eV以上，而且上不封頂。伽馬射線雖然肉眼看不見，但離我們的日常生活卻并不遠(yuǎn)。比如地鐵和火車站的安檢設(shè)備使用的X光機(jī)，其實(shí)就是利用了能量較低的“軟”伽馬射線，這種伽馬射線是人造的。

　　在浩瀚的宇宙中，天體活動能夠自然產(chǎn)生能量極高的“硬”伽馬射線，成為天然的宇宙線加速器。當(dāng)天體的活動非常劇烈時(shí)，可以在短時(shí)間內(nèi)爆發(fā)出非常多的伽馬射線，就像大暴雨一樣，因此，科學(xué)家把這種現(xiàn)象稱為“伽馬射線暴”。

　　宇宙伽馬射線的能量極高，到底有多高呢？日常生活中，我們?nèi)庋劭吹降淖盍撂祗w是太陽，而天體爆發(fā)輻射出的伽馬射線總能量比太陽還高得多。能夠在很短的時(shí)間內(nèi)，比如幾分鐘甚至幾秒鐘之中，釋放巨大的能量，這相當(dāng)于太陽在幾十億年壽命中釋放的能量總和。在伽馬射線暴面前，太陽就是個(gè)小朋友，完全不可與之相提并論。

　　實(shí)際上，宇宙中的超高能伽馬射線的明亮程度可以媲美整個(gè)宇宙，是宇宙中當(dāng)之無愧“最靚（亮）的仔”。

　　圖3：伽馬射線暴示意圖，伽馬射線的束流從天體的兩頭射出 圖源：NASA

　　如何探測伽馬射線？

　　高能宇宙伽馬射線從太空射向地球的過程中需要穿過大氣，這時(shí)它們與大氣中的原子核發(fā)生相互作用，會撞出各種各樣的新粒子。這些粒子在飛行過程中會再次與大氣的原子核發(fā)生作用產(chǎn)生更多的粒子，像暴雨一樣從空中灑向大地，如此“一生二，二生三”地不斷發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生新粒子，仿佛一顆大雨滴往下飛行的過程中散落成千千萬萬簇的小雨滴，科學(xué)家把這些小雨滴叫做“簇射”。

　　圖4：地面的探測器陣列對來自太空的宇宙射線“簇射”進(jìn)行測量

　　圖源：ASγ實(shí)驗(yàn)

　　科學(xué)家通過探測這些到達(dá)地球表面的“小雨滴”來間接地研究宇宙射線。高能量宇宙伽馬射線形成的“小雨滴”簇射范圍非常大，簇射產(chǎn)生的大量次級帶電粒子幾乎同時(shí)到達(dá)地面。測量這些同時(shí)到達(dá)的帶電粒子就可以獲得“簇射”事例。這些簇射到達(dá)地表時(shí)的面積往往很大，約有幾百、幾千，甚至上萬平方米的面積。一般來說，越高能量的宇宙射線到達(dá)地表的簇射面積就越大。

　　問題來了，這些“小雨滴”到達(dá)地面的分布范圍太大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于人類所能建造的單個(gè)探測器，像FAST那樣的中國天眼也無法覆蓋這樣的范圍。那怎么辦？科學(xué)家們想出了辦法：使用“探測器陣列”，把幾十上百個(gè)小探測器按照一定幾何分布排列在地面，組成一個(gè)超級大的探測器方陣。

　　可以想象，這樣的大型陣列往往需要建在平地上。同時(shí)，為了防止宇宙伽馬射線產(chǎn)生的“小雨滴”被空氣吸收，探測器陣列往往選擇高原作為建設(shè)地點(diǎn)，利用稀薄的大氣層讓探測器探測到更多粒子。

　　依托此種思路，我國ASγ實(shí)驗(yàn)的宇宙線觀測站就建在西藏羊八井，羊八井的海拔在4300米，有效利用了當(dāng)?shù)馗吆０未髿庀”〉膬?yōu)勢。

　　圖5：西藏羊八井宇宙線觀測站 圖源：ASγ實(shí)驗(yàn)

　　羊八井宇宙線觀測站的表面陣列面積分布達(dá)到65000平方米，2014年還創(chuàng)造性地增設(shè)了面積3400平方米的地下μ子水切倫科夫探測陣列，用于探測宇宙線與地球大氣作用產(chǎn)生的μ子。

　　ASγ實(shí)驗(yàn)通過綜合利用地面和地下探測器陣列的數(shù)據(jù)，將100TeV以上的宇宙線背景噪聲壓低到百萬分之一，從而極大地提高了伽馬射線探測的靈敏度，成為世界上對超高能伽馬射線最靈敏的探測器陣列。

　　這是ASγ實(shí)驗(yàn)近年來連續(xù)取得系列重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。

　　研究高能宇宙線起源“世紀(jì)之謎”的里程碑

　　ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)由中日科學(xué)家聯(lián)合組成，這次，他們宣布發(fā)現(xiàn)了957 TeV能量的超高能伽馬射線，能量接近1 PeV（1000萬億電子伏特，1后面跟15個(gè)零），這是國際上首次發(fā)現(xiàn)拍電子伏特宇宙線加速器（PeVatron）在銀河系中存在的證據(jù)。

　　該結(jié)果被美國物理學(xué)會評論為研究高能宇宙線起源“世紀(jì)之謎”的里程碑。

　　圖6：不同能量伽馬射線的分布區(qū)域 圖源：ASγ實(shí)驗(yàn)

　　羊八井宇宙線觀測站實(shí)際觀測到多個(gè)幾百TeV的伽馬射線，這些伽馬射線中，最高能量的一個(gè)信號接近1 PeV。由于伽馬射線不帶電，在宇宙中電磁環(huán)境下不會發(fā)生偏轉(zhuǎn)，利用這個(gè)性質(zhì)可以確定伽馬射線的來源。

　　通過分析這些伽馬射線在天空中的來向，再將其與銀河系銀盤的方位進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)，它們彌散在銀盤上，這與銀河系中星系氣體的分布范圍類似，說明這些超高能伽馬射線來自于銀河系內(nèi)部，而不是銀河系之外。

　　對于超高能宇宙伽馬射線的起源問題，有一種觀點(diǎn)認(rèn)為它們來自于PeV能量宇宙線和銀河系分子云的碰撞（強(qiáng)子起源說）；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為它們可能來自脈沖星發(fā)射的相對論性電子產(chǎn)生的韌致輻射和低能光子發(fā)生的逆康普頓散射（輕子起源說）。

　　科學(xué)家通過這次實(shí)驗(yàn)觀察到的能譜特征和角分布，確認(rèn)超高能宇宙射線更支持強(qiáng)子起源說，也就是說，這些伽馬射線是宇宙線和星際氣體發(fā)生強(qiáng)子相關(guān)的相互作用而產(chǎn)生的。這個(gè)發(fā)現(xiàn)大大提高了人們對超高能伽馬射線的認(rèn)識。

　　僅僅在一個(gè)月之前，ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)還宣布了另一個(gè)發(fā)現(xiàn)，距地球2600光年的超新星遺跡 SNR G106.3+2.7發(fā)射出了超過100 TeV的伽馬射線，在國際上首次發(fā)現(xiàn)超高能宇宙線加速候選天體。

　　依靠超高靈敏度的西藏羊八井宇宙觀測站，ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在不斷創(chuàng)造，又不斷超越自己的觀測紀(jì)錄。

　　此外，我國正在四川稻城建造“大面積高海拔宇宙線觀測站”（LHAASO），其四分之三陣列已經(jīng)建成并投入觀測運(yùn)行。和ASγ實(shí)驗(yàn)相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度更上一層樓，在國際上傲視群雄，相信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)新的高度。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1] Amenomori, M., Bao, Y. W., Bi, X. J., Chen, D., Chen, T. L., Chen, W. Y., ... & Tibet AS γ Collaboration. (2021). First detection of sub-PeV diffuse gamma rays from the Galactic disk: Evidence for ubiquitous galactic cosmic rays beyond PeV energies. Physical Review Letters, 126(14), 141101.

　　[2] The Tibet ASγ Collaboration., Amenomori, M., Bao, Y.W. et al. Potential PeVatron supernova remnant G106.3+2.7 seen in the highest-energy gamma rays. Nat Astron (2021). https://doi.org/10.1038/s41550-020-01294-9

　　[3] 科學(xué)網(wǎng).西藏羊八井實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)超高能宇宙線加速候選天體.http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/3/453722.shtm

　　[4] 高能所. 西藏 ASγ 實(shí)驗(yàn)首次發(fā)現(xiàn) PeV 能量宇宙線源存在于銀河系的證據(jù).http://www.ihep.ac.cn/xwdt/gnxw/2021/202103/t20210331_5987922.html

　　[5] 中國科普博覽. 中國科學(xué)家發(fā)現(xiàn)迄今最高能量宇宙伽瑪射線，有什么重要意義？https://www.zhihu.com/question/333072948/answer/742322496

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