1. 首頁 > 生活百科 >

伽馬射線 高海拔宇宙線觀測站這項新發現，開啟“超高能伽馬天文學”時代

新京報快訊（采訪人員 張璐）采訪人員今天從中科院高能物理所獲悉，國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器，并記錄到最高1.4PeV的伽馬光子（1PeV為1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”），這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系粒子加速的傳統認知，開啟“超高能伽馬天文學”的時代。這些發現將在今天（2021年5月17日）發表于《Nature》（《自然》）。
伽馬射線 高海拔宇宙線觀測站這項新發現，開啟“超高能伽馬天文學”時代
文章插圖

高海拔宇宙線觀測站這項新發現，開啟“超高能伽馬天文學”時代
高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）航拍圖。中科院高能物理所供圖
高海拔宇宙線觀測站，探索新物理前沿
宇宙中，無數神秘的粒子正以接近光的速度飛馳，這些神秘的粒子就是宇宙線。宇宙線于1912年被發現，早期宇宙線的發現促成了粒子物理學的成型和高能人工加速器的出現。高能宇宙線起源是一個世紀未解之謎，曾被美國國家研究委員會列為21世紀11個最前沿的天文和物理問題之一。
高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里。高山實驗能夠充分利用大氣作為探測介質，在地面進行觀測，探測器規模可遠大于大氣層外的天基探測器。由于超高能量宇宙線數量稀少，這是唯一的觀測手段。
LHAASO是由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列（簡稱KM2A）、78000平方米水切倫科夫探測器、18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的復合陣列。LHAASO采用這四種探測技術，可以全方位、多變量地測量宇宙線。
LHAASO的核心科學目標是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化和高能天體活動，并尋找暗物質；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線源，精確測量它們從低于1TeV（1萬億電子伏，也叫“太電子伏”）到超過1 PeV（1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”）的寬廣能量范圍內的能譜；測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線加速和傳播的規律，探索新物理前沿。
據悉，宇宙線中絕大多數都是帶電粒子，但是宇宙中處處存在著磁場，比如銀河系磁場、太陽磁場、地球磁場，帶電粒子經過磁場到達地球，方向信息消失了，不知道它來自哪里。但有一些宇宙線是中性粒子，不受磁場影響，比如伽馬射線。科研人員只要在地球上觀測到伽馬射線，反推它原來的方向，就可以確定天體源的位置，從而研究宇宙線的起源。天體通過激波等加速方式把帶電粒子加速到高能，高能帶電粒子通過與星際介質的作用產生光子。
超靈敏探測器捕捉超高能伽馬光子
高海拔宇宙線觀測站于2017年開始建設，目前尚在建設中，這次成果是基于已經建成的1/2規模探測裝置，在2020年內11個月的觀測結果。科學家們發現了能量超過PeV（拍電子伏）的光子，來自天鵝座內非常活躍的恒星形成區和蟹狀星云。
超高能的1PeV（1拍電子伏）是什么概念？科學家科普稱，它相當于醫學診斷用的X射線能量(大約1萬電子伏特)的1000億倍。
能將宇宙線加速到 PeV 能量的天體也被稱為是“拍電子伏特宇宙加速器” (PeVatron)，其周圍產生的“超高能伽馬光子”信號非常弱，即便是天空最為明亮且被稱為“伽馬天文標準燭光”的蟹狀星云，發射出來的能量超過1 PeV的光子，在一年內落在地面上一平方公里的面積上也就1到2個，而這1到2個光子還被淹沒在幾萬個宇宙線事例之中。
“宇宙線或伽馬光子進入大氣層，和空氣里的原子核發生相互作用，產生很多個次級粒子，這些次級粒子又會與原子核作用產生更多新的次級粒子，這樣多次作用，次級粒子像花灑噴出的水一樣散開，最終像短暫的陣雨一樣灑落在地面上。這些次級粒子中有電子、正電子、光子和繆子等。因宇宙線占主要多數，簇射形態卻與伽馬光子雷同，分辨出伽馬光子就像大海撈針一樣。”中科院高能物理所研究員姚志國進一步解釋說。
LHAASO探測陣列內的1188個繆子探測器專門用于挑選伽馬光子信號，使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測器。借助這前所未有的靈敏度，1/2規模的KM2A僅用了11個月就探測到了來自蟹狀星云約1 PeV的伽馬光子。
“我們這次探索到的高能伽馬光子，大都是一些伽馬射線源輻射出來的，這些‘源’是運動劇烈、作用活躍的天體。”據姚志國介紹，KM2A在銀河系內發現了12個具備超高能輻射的伽馬射線源，這是位于LHAASO視場內銀河系內最明亮的一批伽馬射線源。順著這些伽馬射線源，科學家探測到的伽馬光子的最高能量達到創紀錄的1.4 PeV。

推薦閱讀