最强宇宙伽马射线造访地球


时间:2019-06-15  来源:原创  作者:admin  点击次数:


  坐落于西藏羊八井海拔4300多米雪域高原的国际宇宙线观测站——ASgamma实验阵列。(资料图片)

  上图 由3张不同太空望远镜拍摄照片合成的蟹状星云图,展示了其错综复杂的星图平台细节。(图片来源:NANS)

  西藏羊八井科学成果新闻发布会现场。

  西藏羊八井,海拔4300多米的雪域高原,坐落着一处国际宇宙线观测站——ASgamma实验阵列。在这里,一个个神秘的“白盒子”,日复一日静静守候着,以便万里之外的“客人”们随时造访。时光不负情深。近日,迄今人类已知最高能量来自宇宙的光子——伽马射线到达地球,被神秘的“白盒子”成功捕获,引人期待。

  日前,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实验团队宣布:一些迄今人类已知来自宇宙的最高能量光子——伽马射线到达地球,能量超过100TeV(eV:电子伏特,是能量的单位,代表一个电子经过1伏特的电位差加速后所获得的动能。TeV表示万亿电子伏特,1TeV即10的12次方电子伏特),最高达450TeV,比此前国际上正式发表的最高能量高5倍以上。相关论文已被《物理评论快报》推选为高亮点论文,并将于7月下旬正式在线发表。这一地球之外的神秘未知超高能量的光力量,来自何方,又有何奥秘?经济日报记者就此采访了该实验团队的相关专家。

  来自外太空的宇宙线

  1912年,奥地利物理学家维克托·赫斯带着自己设计的仪器,乘坐热气球,飞上了5300米的天空。因为这次大胆而疯狂的实验,这位科学家发现了一种来自地球外的“神秘力量”——宇宙线,它们每天都像雨一样落在地球上,密密麻麻,悄无声息。

  后来,科学家们发现宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流。可到底是什么加速源头让宇宙线能够加速到如此高能量,并以接近光速射向地球?100多年过去了,宇宙线的起源仍是未解之谜。目前科学界普遍认为,在银河系主要有几种加速源头,比如超新星遗迹、黑洞、脉冲星风云等。

  这次观测到莅临地球的“贵客”,经科学家分析确认,来自大名鼎鼎的蟹状星云。蟹状星云距离地球6500光年左右,是位于金牛座的超新星遗迹。在望远镜中,这片星云形如一只横爬的螃蟹而得名,因其在全电磁波段均具有较高亮度而备受关注。它的能量来源则是位于其中的高速旋转的脉冲星,即蟹状星云脉冲星。

  早在公元1054年,北宋天文学家就详细记录了一次超新星爆发事件。而本次科学家发现的宇宙伽马射线,就是来自该超新星爆发留下的遗迹——蟹状星云。

  向着科学的高峰不断攀登,近年来,科学家已经从射电、光学、X射线直至伽马射线的整个电磁波段,对蟹状星云开展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,数量越来越少,观测也越来越困难。此次新发现的超高能伽马射线由此更显宝贵。

  “通过监测超高能伽马射线,推断其加速能量来源,可以进一步了解宇宙天体的起源和演化。”南京大学天文与空间科学学院教授陈阳表示。

  到目前为止,能量最高的伽马射线

  一般来说,大多数宇宙射线是带电粒子,它们在银河磁场中传播时发生偏转,因为它们到达的方向并不代表它们加速源的真实位置。在这种情况下,我们如何确定新发现的宇宙伽马射线来自著名的蟹状星云呢?

  最初,到达地球表面的99%以上的宇宙射线都是带电粒子,但宇宙伽马射线是一种特殊的存在:它是电中性的,不受磁场的偏转,可以直接指向其产生源。鉴于此,科学家们决定通过观察中性粒子伽马射线来研究它的加速源。“高能伽马射线是由高能带电粒子产生的。它的观测是研究高能带电粒子加速过程及其发生的极端环境的一种独特方法。它也是探索极端宇宙的重要探测器之一。”陈阳说。

  然而,探测伽马射线并不容易。中国科学院高能物理研究所研究员黄静表示,超高能伽马射线的强度过低,无法达到普通宇宙射线的1%,而且都淹没在宇宙射线的背景中。“但是当超高能量的伽马射线穿过大气层时,它们会与大气相互作用,产生气簇射。随着大气深度的增加,阵雨将经历一个发展和消亡的过程。利用这一现象,科学家们在海拔4300多米的西藏杨巴泾地区建立了天文台。

  “杨八井的海拔高度和大气活动非常有利于宇宙线组成和能谱的测量,特别是100TeV以上的超高能宇宙线。由于高空区域的大气屏蔽效应较小,更适合探测伽马射线产生的团簇辐射,有利于伽马射线的捕获。黄静解释道。

  此前,国际上探测到的能量最高的伽马射线是75 TeV,由德国切伦科夫望远镜的HEGRA实验组观测到。一些物理理论表明伽马射线不能加速到100 TeV以上。中日合作的ASgamma实验团队经过几十年的不懈努力,发现了24例超过100 TeV的伽马射线病例,超出宇宙线背景标准差5.6倍。其中最高能量为450TeV。这一发现标志着人类对超高能量伽马射线的天文观测首次进入100 TeV以上的观测能带。物理学家认为,这一成就是“揭开宇宙射线起源之谜过程中的一个里程碑”。

  “这些100 TeV以上的伽马射线可能是高能电子与周围宇宙微波背景辐射发射的光子反向康普顿散射的结果。蟹状星云的脉冲星风星云产生超高能电子和正电子。正是这些超高能电子给了伽马射线能量,使伽马射线加速到100 TeV以上,到达地球,并在我们的实验中被观测到。因此,黄静等人推断蟹状星云是“银河系中天然的高能粒子加速器”,其电子加速能力至少是世界上最大的人工电子加速器(加速电子最大能量0.2TeV)的1万倍。

  “利器”升级有助于科学发现

  这一重大天文现象的发现在科学界引起了巨大反响。这一成就与西藏杨巴泾ASgamma实验30年的不懈坚持密不可分。西藏羊八井ASgamma实验位于西藏羊八井地区,海拔4300多米。1990年,阵列的第一阶段完成并开始运作。经过几次升级和改造,在银河系宇宙射线的探索和研究中取得了一系列重要的发现。

  2014年,在现有的6.5万平方米宇宙射线表面探测阵列的基础上,合作小组的成员增加了一个新的地下Muse水奇伦科夫探测器,有效面积为3400平方米。地表探测阵列主要用于探测宇宙射线发射的二次带电粒子,地下水切伦科夫探测阵列主要用于探测二次粒子的数量。在西藏杨巴京进行的ASgamma实验中,消除了99.92%的宇宙射线背景噪声


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