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實驗探測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，證明了一個在當時看來極其大膽的假設：人們在地球表面觀察到的一種神秘放射線，并非來自腳下的地球，而是來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法準確回答關(guān)于宇宙射線的基本問題：這些宇宙空間中最高能量的粒子究竟來自哪些天體，它們又是如何產(chǎn)生的？
最近，中日科學家在西藏羊八井的合作工作，使得我們距離回答這些問題近了一步。
撰文｜辛玲（《知識分子》特約撰稿人）
編輯｜陳曉雪
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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獎，并將畢生精力投入到宇宙射線對人體影響的研究。然而，他的發(fā)現(xiàn)給我們帶來的問題遠比答案要多。
一百多年后的今天，我們?nèi)匀粺o法準確回答關(guān)于宇宙射線的基本問題：這些宇宙空間中最高能量的粒子究竟來自哪些天體，它們又是如何產(chǎn)生的？
近日，中日合作西藏 ASγ實驗的最新工作，將宇宙射線研究大大向前推進了一步。根據(jù)即將發(fā)表在美國《物理評論快報》的論文，兩國科學家在銀河系的銀盤上發(fā)現(xiàn)了幾十個彌散分布的高能伽馬射線，其中最高能量接近1000萬億電子伏特（即1015eV，或1 PeV），這是PeV宇宙線加速器在銀河系中存在的首個觀測證據(jù)。
“ASγ的結(jié)果清楚地印證了存在已久的理論猜測，即銀河系內(nèi)部存在將質(zhì)子加速到PeV能量級的機制。這一發(fā)現(xiàn)非常誘人，可以說它讓宇宙線的研究越發(fā)復雜而有趣了?！?密歇根理工大學粒子物理教授、美墨合作高海拔切倫科夫天文臺（HAWC）實驗發(fā)言人 Petra Huentemeyer 告訴《知識分子》。Huentemeyer 未參與這一研究。
西藏ASγ實驗團隊觀測到的超高能彌散伽馬射線事例（黃點），在銀道坐標系下的分布情況。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（圖中水平中線）集中分布的特點。灰色陰影區(qū)域是ASγ實驗無法觀測的區(qū)域。背景色輪廓顯示了銀河系坐標中氫原子的分布。
來源：https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/foreground/fg_hi4pi_get.cfm
尋找銀河系里的超級粒子加速器
宇宙射線是來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1020 eV，遠遠超過目前人工粒子加速器實驗所能達到的1012-1013eV。
對宇宙線進行直接觀測的一大困難在于，帶電粒子在銀河系飛行過程中會受到磁場作用，從而使運動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，到達地球時早已無從尋找其真正的源頭方向。
幸運的是，宇宙線在向外傳播時，會與星際介質(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能量級的天體，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大、探測器不夠靈敏等原因，科學家們始終未能用實際觀測證實PeVatron的存在。
“ASγ的實驗結(jié)果非常及時，為PeVatron研究增加了一條關(guān)鍵線索?！?nbsp; Huentemeyer說。她認為，盡管國際上類似實驗如HESS望遠鏡曾在2016年探測到來自人馬座A的PeVatron候選體，她本人所在的HAWC天文臺也于去年發(fā)布了若干超高能伽馬射線源，但 “ASγ在這些能區(qū)探測到彌散的伽馬射線輻射，而且離此前探測到的伽馬射線源都很遠，這尚屬首次?！?/span>
如果將PeV能量級的宇宙射線比作恐龍，那么這次ASγ探測到的亞PeV級伽馬射線就是“恐龍在銀河系內(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)?！敝袊茖W院高能物理所研究員、ASγ實驗中方首席科學家黃晶在4月2日下午舉行的新聞發(fā)布會上表示。“我們的工作顯示，從PeVatron產(chǎn)生的宇宙線被困在星系磁場中達數(shù)百萬年，形成了一個宇宙線池。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科學院高能物理研究所研究員張雙南認為，科學界對PeVatron存在的猜測由來已久，因此這次的發(fā)現(xiàn)并非出乎意料。ASγ實驗的意義正是在于首次觀測到了這些PeVatron在銀河系中存在的證據(jù)。
“這種觀測成果本身就是一項重大突破?！?張雙南說。
探測的關(guān)鍵
雖然科學家們知道可以用電中性的伽馬射線來反推宇宙線來源，但伽馬射線其實很難探測到，因為它們數(shù)量有限，常被淹沒在嘈雜的宇宙線背景中。
在海拔4300米的西藏羊八井，ASγ實驗的中日科學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)過仔細分析，發(fā)現(xiàn)可以用一種叫做繆子（muon）的基本粒子，來區(qū)別到達探測器的宇宙線和伽馬射線。
在穿透大氣層的過程中，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）通過對探測器接收到的繆子計數(shù)，可以挑選出伽馬射線（中科院高能物理所 黃晶）
2014年，在ASγ實驗運行24年后，中日雙方對探測器完成了一次重大升級改造：在現(xiàn)有六萬多平方米的宇宙線表面陣列下面，新增了有效面積達3400平方米的地下水切倫科夫繆子探測陣列。這些繆子探測器位于地下2.5米深處，由160個直徑為20英寸的光電倍增管組成。
西藏羊八井ASγ實驗（左：ASγ表面陣列；右：地下水切倫科夫繆子探測器）
“利用這些自主開發(fā)的繆子探測器，我們在國際上首次準確測量了次級宇宙線中所含的繆子，把宇宙線背景噪聲壓低到百萬分之一，從而極大地提高了伽馬射線探測的靈敏度。這成為ASγ實驗近年來取得系列重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵?！?黃晶說。
從超過一千萬個事例中，中日科學家們最終篩選出38個繆子數(shù)少的事例，將它們的來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，確定了這些伽馬射線只可能來自于宇宙射線，而非其他來源。
在中科院高能物理所的新聞發(fā)布會現(xiàn)場，來自中日兩國的科學家、官員代表都對此次重大發(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王貽芳表示。
ASγ實驗組由中科院高能物理研究所、中科院國家天文臺等12家國內(nèi)合作單位以及日本東京大學宇宙線研究所等16家日方合作單位組成。該項目得到中國科技部、國家自然科學基金委員會、中國科學院、日本文部省、日本學術(shù)振興會（JSPS）、西藏自治區(qū)各級政府及西藏大學等的長期支持。
宇宙線研究的下一步：確認對應天體來源
雖然此次ASγ實驗發(fā)現(xiàn)了銀盤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更多的伽馬射線源，并確認對應的天體來源究竟是哪些?！?張雙南說。
目前，中科院高能物理研究所已將ASγ實驗的具體運行交付給國家天文臺，以便更好地聚焦于中國下一代宇宙線研究裝置——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）的建設和運行。
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器，由五千多個電磁粒子探測器、上千個繆子探測器、7.8萬平方米水切倫科夫探測器及12臺廣角切倫科夫望遠鏡組成。
作為羊八井實驗的繼任者，LHAASO的有效探測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驗一年的數(shù)據(jù)量。
“據(jù)我所知，更多有關(guān)PeVatron的研究成果會很快發(fā)表，尤其是來自LHAASO合作組的研究。” Huentemeyer說，“我也非常期待規(guī)劃中的宇宙線實驗，如歐洲的切侖科夫望遠鏡陣列（CTA）和南美的南部廣域伽瑪射線天文臺（SWGO）將發(fā)現(xiàn)更多的PeVatron，并對其射線進行精確測量，以便我們更好地理解這些宇宙極端區(qū)域的粒子加速機制及銀河系的能量含量?！?nbsp;
相關(guān)文獻：
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
