看，宇宙線在銀河系內(nèi)留下的串串足跡
中科院高能物理所研究員黃晶介紹，ASγ實(shí)驗(yàn)探測(cè)到的伽馬射線是宇宙線在銀河系內(nèi)留下的 “一串串足跡”，是PeVatron廣泛存在于銀河系的重要證據(jù)。
1911年至1913年間，年輕的奧地利物理學(xué)家維克多·赫斯（Victor Hess）利用氣球和附著的電離室裝置，證明了一個(gè)在當(dāng)時(shí)看來(lái)極其大膽的假設(shè)：人們?cè)诘厍虮砻嬗^察到的一種神秘放射線，并非來(lái)自腳下的地球，而是來(lái)自太空的穿透性輻射。這種高能輻射起初被命名為 “赫斯輻射”，后改稱 “宇宙射線”，并在全球范圍引發(fā)了極大的研究興趣。
一百多年后的今天，我們?nèi)匀粺o(wú)法準(zhǔn)確回答關(guān)于宇宙射線的基本問(wèn)題：這些宇宙空間中最高能量的粒子究竟來(lái)自哪些天體，它們又是如何產(chǎn)生的？
最近，中日科學(xué)家在西藏羊八井的合作工作，使得我們距離回答這些問(wèn)題近了一步。
撰文｜辛玲（《知識(shí)分子》特約撰稿人）
編輯｜陳曉雪
● ● ●
赫斯因發(fā)現(xiàn)能夠穿透太空的宇宙射線獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，并將畢生精力投入到宇宙射線對(duì)人體影響的研究。然而，他的發(fā)現(xiàn)給我們帶來(lái)的問(wèn)題遠(yuǎn)比答案要多。
一百多年后的今天，我們?nèi)匀粺o(wú)法準(zhǔn)確回答關(guān)于宇宙射線的基本問(wèn)題：這些宇宙空間中最高能量的粒子究竟來(lái)自哪些天體，它們又是如何產(chǎn)生的？
近日，中日合作西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)的最新工作，將宇宙射線研究大大向前推進(jìn)了一步。根據(jù)即將發(fā)表在美國(guó)《物理評(píng)論快報(bào)》的論文，兩國(guó)科學(xué)家在銀河系的銀盤(pán)上發(fā)現(xiàn)了幾十個(gè)彌散分布的高能伽馬射線，其中最高能量接近1000萬(wàn)億電子伏特（即1015eV，或1 PeV），這是PeV宇宙線加速器在銀河系中存在的首個(gè)觀測(cè)證據(jù)。
“ASγ的結(jié)果清楚地印證了存在已久的理論猜測(cè)，即銀河系內(nèi)部存在將質(zhì)子加速到PeV能量級(jí)的機(jī)制。這一發(fā)現(xiàn)非常誘人，可以說(shuō)它讓宇宙線的研究越發(fā)復(fù)雜而有趣了。” 密歇根理工大學(xué)粒子物理教授、美墨合作高海拔切倫科夫天文臺(tái)（HAWC）實(shí)驗(yàn)發(fā)言人 Petra Huentemeyer 告訴《知識(shí)分子》。Huentemeyer 未參與這一研究。
西藏ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到的超高能彌散伽馬射線事例（黃點(diǎn)），在銀道坐標(biāo)系下的分布情況。這些超高能彌散伽馬射線，能量在 400 TeV到 1 PeV 之間，表現(xiàn)出向銀盤(pán)（圖中水平中線）集中分布的特點(diǎn)?；疑幱皡^(qū)域是ASγ實(shí)驗(yàn)無(wú)法觀測(cè)的區(qū)域。背景色輪廓顯示了銀河系坐標(biāo)中氫原子的分布。
來(lái)源：https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/foreground/fg_hi4pi_get.cfm
尋找銀河系里的超級(jí)粒子加速器
宇宙射線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子流，主要由質(zhì)子（即氫原子核）和其他原子核（如氦原子核、鐵原子核等）組成。這些粒子的能量分布很廣，最高可達(dá)1020 eV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)目前人工粒子加速器實(shí)驗(yàn)所能達(dá)到的1012-1013eV。
對(duì)宇宙線進(jìn)行直接觀測(cè)的一大困難在于，帶電粒子在銀河系飛行過(guò)程中會(huì)受到磁場(chǎng)作用，從而使運(yùn)動(dòng)方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時(shí)早已無(wú)從尋找其真正的源頭方向。
幸運(yùn)的是，宇宙線在向外傳播時(shí)，會(huì)與星際介質(zhì)碰撞，產(chǎn)生能量約為宇宙線母粒子能量十分之一的高能伽馬射線。而伽馬射線不帶電，沿直線傳播，從而成為科學(xué)家們研究宇宙線的重要抓手。
電中性的伽馬射線成為宇宙線研究的重要抓手（Masahiro Teshima @ ICRC2011，中科院高能所 黃晶）
理論模型顯示，銀河系內(nèi)的某些天體，如超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心超大質(zhì)量黑洞等，都可能將宇宙射線粒子加速至PeV的高能量。能將宇宙線加速到這個(gè)能量級(jí)的天體，被稱作 “拍電子伏特宇宙線加速器” （PeVatron）。遺憾的是，由于宇宙背景噪音過(guò)大、探測(cè)器不夠靈敏等原因，科學(xué)家們始終未能用實(shí)際觀測(cè)證實(shí)PeVatron的存在。
“ASγ的實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常及時(shí)，為PeVatron研究增加了一條關(guān)鍵線索?！?nbsp; Huentemeyer說(shuō)。她認(rèn)為，盡管國(guó)際上類似實(shí)驗(yàn)如HESS望遠(yuǎn)鏡曾在2016年探測(cè)到來(lái)自人馬座A的PeVatron候選體，她本人所在的HAWC天文臺(tái)也于去年發(fā)布了若干超高能伽馬射線源，但 “ASγ在這些能區(qū)探測(cè)到彌散的伽馬射線輻射，而且離此前探測(cè)到的伽馬射線源都很遠(yuǎn)，這尚屬首次?！?/span>
如果將PeV能量級(jí)的宇宙射線比作恐龍，那么這次ASγ探測(cè)到的亞PeV級(jí)伽馬射線就是“恐龍?jiān)阢y河系內(nèi)留下的一串串足跡，是PeVatron廣泛存在于銀河系的重要證據(jù)。”中國(guó)科學(xué)院高能物理所研究員、ASγ實(shí)驗(yàn)中方首席科學(xué)家黃晶在4月2日下午舉行的新聞發(fā)布會(huì)上表示?！拔覀兊墓ぷ黠@示，從PeVatron產(chǎn)生的宇宙線被困在星系磁場(chǎng)中達(dá)數(shù)百萬(wàn)年，形成了一個(gè)宇宙線池。宇宙線與星際物質(zhì)相互作用產(chǎn)生高能伽馬射線?！?/span>
未參與這一研究的中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員張雙南認(rèn)為，科學(xué)界對(duì)PeVatron存在的猜測(cè)由來(lái)已久，因此這次的發(fā)現(xiàn)并非出乎意料。ASγ實(shí)驗(yàn)的意義正是在于首次觀測(cè)到了這些PeVatron在銀河系中存在的證據(jù)。
“這種觀測(cè)成果本身就是一項(xiàng)重大突破?！?張雙南說(shuō)。
探測(cè)的關(guān)鍵
雖然科學(xué)家們知道可以用電中性的伽馬射線來(lái)反推宇宙線來(lái)源，但伽馬射線其實(shí)很難探測(cè)到，因?yàn)樗鼈償?shù)量有限，常被淹沒(méi)在嘈雜的宇宙線背景中。
在海拔4300米的西藏羊八井，ASγ實(shí)驗(yàn)的中日科學(xué)家們能捕捉到更多的伽馬射線，但宇宙線也更多了。黃晶和同事們經(jīng)過(guò)仔細(xì)分析，發(fā)現(xiàn)可以用一種叫做繆子（muon）的基本粒子，來(lái)區(qū)別到達(dá)探測(cè)器的宇宙線和伽馬射線。
在穿透大氣層的過(guò)程中，宇宙線產(chǎn)生的繆子比伽馬射線產(chǎn)生的繆子要多幾十倍。如果能精確測(cè)量出繆子的數(shù)量，就可以從宇宙線背景中篩選出伽馬射線。
（左）宇宙線與伽馬射線的區(qū)別；（右）通過(guò)對(duì)探測(cè)器接收到的繆子計(jì)數(shù)，可以挑選出伽馬射線（中科院高能物理所 黃晶）
2014年，在ASγ實(shí)驗(yàn)運(yùn)行24年后，中日雙方對(duì)探測(cè)器完成了一次重大升級(jí)改造：在現(xiàn)有六萬(wàn)多平方米的宇宙線表面陣列下面，新增了有效面積達(dá)3400平方米的地下水切倫科夫繆子探測(cè)陣列。這些繆子探測(cè)器位于地下2.5米深處，由160個(gè)直徑為20英寸的光電倍增管組成。
西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)（左：ASγ表面陣列；右：地下水切倫科夫繆子探測(cè)器）
“利用這些自主開(kāi)發(fā)的繆子探測(cè)器，我們?cè)趪?guó)際上首次準(zhǔn)確測(cè)量了次級(jí)宇宙線中所含的繆子，把宇宙線背景噪聲壓低到百萬(wàn)分之一，從而極大地提高了伽馬射線探測(cè)的靈敏度。這成為ASγ實(shí)驗(yàn)近年來(lái)取得系列重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵?！?黃晶說(shuō)。
從超過(guò)一千萬(wàn)個(gè)事例中，中日科學(xué)家們最終篩選出38個(gè)繆子數(shù)少的事例，將它們的來(lái)源確定為超高能伽馬射線。然后，利用空間分布和能譜分布特點(diǎn)，確定了這些伽馬射線只可能來(lái)自于宇宙射線，而非其他來(lái)源。
在中科院高能物理所的新聞發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)，來(lái)自中日兩國(guó)的科學(xué)家、官員代表都對(duì)此次重大發(fā)現(xiàn)表示由衷祝賀。
“此次發(fā)現(xiàn)是中日合作雙方30年持之以恒、不斷創(chuàng)新、不斷努力的結(jié)果?！?nbsp; 中科院高能物理所所長(zhǎng)王貽芳表示。
ASγ實(shí)驗(yàn)組由中科院高能物理研究所、中科院國(guó)家天文臺(tái)等12家國(guó)內(nèi)合作單位以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16家日方合作單位組成。該項(xiàng)目得到中國(guó)科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、中國(guó)科學(xué)院、日本文部省、日本學(xué)術(shù)振興會(huì)（JSPS）、西藏自治區(qū)各級(jí)政府及西藏大學(xué)等的長(zhǎng)期支持。
宇宙線研究的下一步：確認(rèn)對(duì)應(yīng)天體來(lái)源
雖然此次ASγ實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了銀盤(pán)面彌散伽馬射線源的能量和位置，但并未指出這些伽馬射線究竟是從哪些天體發(fā)出的。
“下一步的工作需要探測(cè)更多的伽馬射線源，并確認(rèn)對(duì)應(yīng)的天體來(lái)源究竟是哪些?！?張雙南說(shuō)。
目前，中科院高能物理研究所已將ASγ實(shí)驗(yàn)的具體運(yùn)行交付給國(guó)家天文臺(tái)，以便更好地聚焦于中國(guó)下一代宇宙線研究裝置——高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）的建設(shè)和運(yùn)行。
LHAASO位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是世界同類裝置中靈敏度最高的宇宙線探測(cè)器，由五千多個(gè)電磁粒子探測(cè)器、上千個(gè)繆子探測(cè)器、7.8萬(wàn)平方米水切倫科夫探測(cè)器及12臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成。
作為羊八井實(shí)驗(yàn)的繼任者，LHAASO的有效探測(cè)面積約為羊八井的一百倍，即LHAASO只用3-4天就能獲得羊八井實(shí)驗(yàn)一年的數(shù)據(jù)量。
“據(jù)我所知，更多有關(guān)PeVatron的研究成果會(huì)很快發(fā)表，尤其是來(lái)自LHAASO合作組的研究。” Huentemeyer說(shuō)，“我也非常期待規(guī)劃中的宇宙線實(shí)驗(yàn)，如歐洲的切侖科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（CTA）和南美的南部廣域伽瑪射線天文臺(tái)（SWGO）將發(fā)現(xiàn)更多的PeVatron，并對(duì)其射線進(jìn)行精確測(cè)量，以便我們更好地理解這些宇宙極端區(qū)域的粒子加速機(jī)制及銀河系的能量含量。”
相關(guān)文獻(xiàn)：
First detection of sub-PeV diffuse gamma rays from the Galactic disk: Evidence for ubiquitous galactic cosmic rays beyond PeV energies
https://journals.aps.org/prl/accepted/2207cYd3La91536bf3509f3189e65322ea6e4b7e0
制版編輯 | 盧卡斯
