羊八井!超高能伽玛射线天文观测进入新时代(组图)

2019-07-09 22:03:55    所在频道:  最新    来源: 科普中国

  一千年前,中国古代的天文学家在史书中留下了一颗恒星发生超新星爆发的壮观瞬间。

  一千年后,当代中国的科学家在那颗星星爆发的遗迹中发现了最高能量的宇宙伽玛射线。

  科学发现在千年的历史之中竟然得以如此传承。

  2019年7月3日,中国和日本的科学家联合宣布发现迄今为止最高能量的宇宙伽玛射线。这些宇宙伽玛射线来自蟹状星云方向,能量高达450 TeV(等于4.5×10^14电子伏特)。此前,国际上宇宙伽玛射线的最高能量纪录是75TeV,中日科学家在西藏羊八井的宇宙线观测站如今以超出原纪录5倍以上的最高能量创造了新纪录。

  超高能伽玛射线天文观测进入到100 TeV能区的新时代。

  【配图1:左图:西藏ASγ实验观测到蟹状星云方向100TeV以上的伽玛射线(图片来自高能物理研究所);右图:美国哈勃望远镜观测的蟹状星云图片(图片来自NASA) 】

  什么是宇宙射线?

  宇宙射线有时也被称为宇宙线,是来自太空的高能粒子。1903年,卢瑟福在用验电器进行早期的粒子物理实验时发现,即使把实验室里的所有放射源移走,甚至用铁和铅把验电器完全屏蔽起来,在验电器中仍能发现有带电粒子不断产生。

  他猜想,也许有某种贯穿力极强的辐射从外界射进验电器,从而激发出带电的粒子。

  【配图2:超高能宇宙射线射入地球大气层,与空气的原子核碰撞产生“空气簇射”(图片来自CERN)】

  1912年,奥地利科学家赫斯(Victor Franz Hess)将静电计等仪器悬挂着气球放到高空进行实验,他发现随着气球的上升,静电计在海拔高度1400米~2500米之间测到的辐射持续增加,而且显然超出海平面的测量值。在海拔5000米的高空,辐射强度甚至达到地面的9倍。由于白天和夜间测量结果相同,因此赫斯断定这种射线不是来源于太阳的照射,而是宇宙空间。

  赫斯提出一种新的假说,“这种迄今为止尚不为人知的东西主要在高空发现……它可能是来自太空的穿透辐射”。

  从那时开始,科学界对宇宙射线的各种效应和起源问题进行了广泛的研究。

  起初这种辐射也被称为“赫斯辐射”,后来被正式命名为“宇宙射线”(cosmic rays),这是来自宇宙空间的高能粒子流的总称。

  如何探测宇宙射线?

  高能宇宙射线从太空射向地球的过程中需要穿过大气,这时它们与大气中的原子核发生相互作用,会撞出各种次级的粒子,这些次级的粒子在飞行过程中会再次与大气的原子核发生作用产生更次级的粒子,像暴雨一样从空中洒向大地,如此“一生二,二生三”地不断发生级联反应,仿佛一颗大雨滴往下飞行的过程中散落成千千万万簇的小雨滴。

  这个过程也被称为“空气簇射”。

  宇宙射线产生的这些次级粒子反复作用产生更多次级粒子,直到平均能量等于某些临界值,次级粒子的数目达到最大值,称为簇射极大,之后的粒子逐渐衰变或者被大气吸收,使次级粒子的数目反而逐渐下降。

  【配图3:地面的探测器阵列对来自太空的宇宙射线“簇射”进行测量(图片来自Masato TAKITA的ASγ实验国际报告)】

  科学家们通过探测这些到达地球表面的“簇射”来间接地研究宇宙射线。

  高能量宇宙伽玛射线形成的“簇射”范围非常大,簇射产生的大量次级带电粒子几乎同时到达地面。测量这些同时到达的带电粒子就可以获得“簇射”事例。这些簇射到达地表时的面积往往很大,约有几百、几千,甚至上万平方米的面积。一般来说,越高能量的宇宙射线到达地表的簇射面积就越大。

  可是,目前人类还造不出这么大面积的单个探测器。怎么办呢?

  在实际实验中,人们使用的是“探测器阵列”,把几十上百个小探测器按照一定几何分布排列在地面,形成一个个阵列。可以想象,这样的大型阵列往往需要建在平地上。同时,如果大气层的厚度太大,宇宙射线的簇射反而会被空气吸收,导致能探测到的粒子变少,因此,国际上许多实验的探测器阵列被安排在陆地高原上或者大山之中,例如我国的羊八井宇宙线观测站就建在西藏,有效利用了当地高海拔大气稀薄的优势。

  西藏羊八井ASγ实验是如何做出这个发现的?

  2019年7 月3日,中国科学家在北京召开新闻发布会宣布,在西藏羊八井宇宙观测站的发现了迄今为止人类观测到的最高能量宇宙伽玛射线。这个最高能量的伽玛射线能量高达450TeV,不仅如此,实际上科学家发现了24个100TeV以上的伽玛光子,置信度在5.6倍标准偏差,达到了物理学宣布“发现”的严格标准。

  在此之前,国际上的最高能量宇宙伽玛射线纪录是75TeV,由德国的HEGRA实验发现。如今,西藏羊八井实验一举打破纪录,超高能伽玛射线天文观测因此进入到100 TeV能区的新时代。

  【配图4:各国不同实验测量得到的宇宙伽玛射线能谱,红色椭圆所圈的点对应着ASγ实验测量到的450TeV超高能伽玛光子(图片来自高能物理研究所)】

  科学家仔细分析了西藏羊八井ASγ实验的伽玛射线之后,确认它们来自蟹状星云的脉冲星。蟹状星云位于金牛座,距离地球6500光年左右,是著名超新星遗迹。

  【配图5. 《文献通考》卷二百九十四中记载,北宋至和元年(1054年)客星出没】

  公元1054年,中国北宋时期的天文学家留下了这颗“天关客星”发生超新星爆发的详细纪录,“至和元年五月,晨出东方,守天关,昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日”,当时这颗星星在近一个月的时间里亮到白天也能看见。

  如今,人们在对应的位置上观察到了著名的蟹状星云,天文观测确认蟹状星云的中心位置附近有一颗高速旋转的脉冲星,蟹状星云由天关客星对应的超新星爆炸后抛出的物质形成,而中心的脉冲星就是爆炸星体留下的残骸。

  天文学家对蟹状星云非常偏爱,因为它在全电磁波段的亮度均较高。人们在射电波段、光学波段、X射线波段,一直到伽玛射线的整个电磁波段对其进行了详细的观测研究。

  西藏羊八井ASγ实验也将目标对准了蟹状星云。西藏羊八井宇宙线观测站位于海拔4300米的高原,是全球海拔最高的宇宙线观测站之一,1989年开始由中国和日本科学家合作建设,后来经历了多次升级改造,在宇宙线的探测研究方面做出了一系列重大发现。

  从1989年到2019年,中日科学家在这个实验上花费了三十年时间。

  超高能量宇宙伽玛射线实验的难点在于这种宇宙线极为稀有,来自太空的宇宙线通常以带电粒子为主(比如质子),而不带电的伽玛射线在宇宙线中的占比不到1%。伽玛射线的微小信号被淹没在整个宇宙线的背景当中,科学家需要想办法去除宇宙线中的本底,挑选出伽玛射线的信号。

  如何挑选出伽玛射线的信号?

  利用带电粒子空气簇射和伽玛光子空气簇射中,各自产生的μ子个数的差别来区分:宇宙射线中的带电粒子在空气簇射时产生的μ子数目多,例如100TeV的质子大约可测得100个μ子,而100TeV的伽玛光子产生的 μ子大概也就10个左右。

  羊八井实验在2014年进行了升级,成为国际上在相应能区最灵敏的探测器。中日科学家在地下2.5米的地方增加安装了多个水切伦科夫探测器,利用2.5米的土层过滤掉空气簇射产生的低能电子和光子本底,水切伦科夫探测器则用于探测μ子。这次升级让羊八井实验在国际上首次实现能够准确测量宇宙线中的μ子个数,成为100TeV以上能区最灵敏的宇宙伽玛射线探测器。

  正是在这一利器的帮助下,中日科学家做出了这一里程碑式的重大发现。

  【配图6:西藏羊八井宇宙线观测站(图片来自高能物理研究所)】

  发现最高能量宇宙伽玛射线,究竟有何意义?

  首先,验证了科学家们此前对蟹状星云超高能电子能量的理论推测。

  这次实验探测到的450TeV超高能伽玛光子可能是低能光子在蟹状星云脉冲星附近发生“逆康普顿散射”的结果——低能光子从超高能电子那里获取能量变成高能伽玛光子,超高能电子则来自蟹状星云的脉冲星。

  根据同步辐射理论的间接推测,蟹状星云加速的电子能量在1000TeV的量级,这次实验探测到450TeV伽玛光子,意味着蟹状星云存在能量至少为450TeV的超高能电子,十分逼近理论推测的1000TeV能量。

  其次,为脉冲星的粒子加速能力提供了实验证据。

  “蟹状星云”是“银河系内天然的高能粒子加速器”,人类曾经建造过的最强大的电子加速器是欧洲大型正负电子对撞机(LEP),可以将电子加速到0.2TeV,这次发现表明“蟹状星云”的电子加速能力比LEP要高上万倍。

  西藏羊八井ASγ实验已成为世界上对超高能宇宙伽玛射线探测最灵敏的天文台,后续还有望发现更多的超高能宇宙伽玛射线。此前很多人不相信脉冲星能把粒子加速到100TeV,这次的成果则带来了令人信服的实验证据。

  还提出了新的问题——为什么脉冲星可以把粒子加速到如此高的能量?

  据科学家的推测,这可能与脉冲星风的磁重联过程有关,这次实验发现对当前的理论工作提出了挑战,理论界需要一定的时间对实验背后的物理机制进行研究。

  总之,人类探测到迄今为止来自宇宙的最高能量光子,对超高能量宇宙伽玛光子的研究有助于揭示宇宙中极端天体的性质,而且这次发现直接证明脉冲星可以加速产生相对论性的超高能电子,是揭开宇宙线起源之谜过程中前所未有的一个里程碑。

  参考:

  [1]. https://arxiv.org/abs/1906.05521

  [2]. https://indico.ihep.ac.cn/event/6163/contribution/43/material/slides/0.pdf

  [3]. http://cloud.xylink.com/live/v/2c9497116b2df68c016b9de51c3379c7

  [4]. http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/lztt/kpyd_yzsx/index.html

  出品:科普中国

  制作:覃拈(武汉大学&高能物理研究所博士)

  监制:中国科学院计算机网络信息中心