宇宙“超级加速器”现身

作者： 丁佳

2019年07月04日  来源： 中国科学报　

　　在追求“更高、更快、更强”上，高能物理学家跟运动员可能没有什么区别。在全球各地，一个个大型加速器日夜不停地运转着，试图揭开更多的科学秘密。

　　不过，宇宙似乎总是能轻而易举地将人类“秒杀”。7月3日，中国科学院高能物理研究所在北京宣布，中日合作实验团队利用我国西藏羊八井ASgamma实验阵列，于近日发现了迄今为止最高能量的宇宙伽马射线，比此前国际上正式发表的最高能量高5倍。相关论文已被《物理评论快报》推选为高亮点论文，并将于7月下旬在线发表。

　　热气球带来的未解之谜

　　1912年，奥地利物理学家维克托·赫斯带着自己设计的仪器，坐着热气球，飞上了5300米的天空。这次大胆而疯狂的实验，让宇宙线第一次被人类发现，赫斯也因此获得了1936年诺贝尔物理学奖。人们惊讶地发现，这些来自外太空的高能粒子，每天都会像雨一样落在地球上，密密麻麻，悄无声息。

　　然而，100多年过去了，宇宙线的起源却仍是未解之谜。“非光子成分的带电宇宙线在银河系磁场中会发生偏转，因此它们的抵达方向并不能代表其加速源头的真实位置。”中国科学院高能物理研究所研究员黄晶说。

　　幸好还有一个例外。伽马射线光子是电中性的，不会发生偏转，能直指其产生的源头，而超高能量的伽马射线又是由高能带电粒子产生的。因此，超高能伽马射线观测是研究这些极端粒子加速过程及其发生的极端环境的独特途径，是探索极端宇宙的重要探针之一。

　　但是，探测伽马射线同样困难。黄晶解释称：“超高能伽马射线的流强太低，不到宇宙线的1%，全都淹没在宇宙线的背景中了，所以我们很难从中挑出伽马射线。”

　　“利器”升级 全程“高能”

　　由中国科学院高能物理研究所和日本东京大学宇宙线研究所共同主持的西藏羊八井ASgamma实验位于海拔4300米的西藏羊八井地区，1990年一期阵列建成并开始运行，后经多次升级改造。羊八井实验在银河系宇宙线的探测研究方面做出了一系列重大发现。

　　2014年，合作组成员在现有探测阵列下面新增加了地下缪子水切伦科夫探测器（有效面积4200平方米）。利用这种地下缪子水切伦科夫探测器的数据，科学家能够剔除99.92%的宇宙线背景噪声。

　　正是凭借这个埋在地下2.5米的新探测器，使得西藏羊八井实验成为了国际上100TeV以上能区最灵敏的伽马射线天文台，并取得了本次成果。

　　此次中日合作实验共发现了24个100 TeV以上的伽马射线事例，超出宇宙线背景5.6倍标准偏差，其中能量最高的约为450TeV。而此前国际上探测到的最高能量的伽马射线为75TeV，由德国的切伦科夫望远镜实验组观测到。

　　这一发现，标志着人类对超高能伽马射线的天文观测进入到100TeV以上的观测能段。南京大学教授陈阳评论称，该成果是人类“揭开宇宙线起源之谜途中的一个里程碑”。

　　宇宙“网红”的秘密

　　这些宇宙伽马射线所指向的来源，是一个古老的宇宙“网红”——蟹状星云。

　　作为金牛座的著名超新星遗迹，早在1054年，我国宋朝天文学家就详细记录了该超新星的爆发现象。蟹状星云距离地球6500光年左右，其能量来源是位于其中的高速旋转的脉冲星，即蟹状星云脉冲星。

　　蟹状星云因其在全电磁波段均具有较高亮度而备受关注。多年来，全球科学家在从射电、光学、X射线直至伽马射线的整个电磁波段对其进行了详细的观测和研究。但是，随着光子能量的增加，蟹状星云的光子流强越来越低，观测也越来越困难。

　　这也让新发现的超高能伽马射线更加难能可贵。科研人员认为，这些100TeV以上的高能光子可能是更高能量的电子与周围宇宙微波背景辐射光子发生“逆康普顿散射”的结果，而超高能电子、正电子则是在蟹状星云的脉冲星风云中产生。

　　由此科学家推断，蟹状星云是银河系内天然的高能粒子加速器。与目前世界上最大的人工电子加速器相比，蟹状星云的电子加速能力至少要高上万倍。

　　当然，人类的好奇心绝不会满足于此。作为西藏羊八井实验的后续项目，我国正在四川稻城建设大面积高海拔宇宙线观测站（LHAASO），部分设备已经建成并投入观测运行。

　　“与羊八井实验相比，稻城实验的能量范围和灵敏度还要高一个数量级以上。”中国科学院高能物理研究所副所长魏龙介绍，“它将把宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新高度。”