新發(fā)現(xiàn)的光子能量，超乎你想象

作者：柳若愚、楊睿智（南京大學(xué)、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）

文章來源于科學(xué)大院公眾號（ID：kexuedayuan）

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無論是“嫦娥”奔赴月球，還是“祝融”登陸火星，都說明了現(xiàn)代國人擅長的事情之一，便是用科技的力量續(xù)寫古人的綺麗想象。而日前，一項(xiàng)發(fā)表在《Nature》上的重大成果，不僅能同古人對話，或?qū)⒏淖內(nèi)祟悓︺y河系的傳統(tǒng)認(rèn)知。

這項(xiàng)成果，便是國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了大量超高能宇宙線加速器，并且記錄到最高1.4拍電子伏伽馬光子（拍=千萬億）?；蛟S你再次有了“每個(gè)字我都認(rèn)識，放在一起就不知道在說什么”的奇妙體驗(yàn)，但不妨在了解何為宇宙線的基礎(chǔ)上，同大院er一起了解這一成果的重大價(jià)值。

宇宙線是什么線？

宇宙線是星際空間中的高能帶電粒子，于1912年由奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯發(fā)現(xiàn)，后者也因此榮膺1936年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。人們探測到的宇宙線粒子中約90%是質(zhì)子，9%是氦原子核，更重的原子核及電子等其它粒子占剩下的1%。

在銀河系的星際空間中，宇宙線貢獻(xiàn)了1/3的能量密度，是星際空間的重要組成部分，同時(shí)主導(dǎo)了星際化學(xué)和恒星形成等天體物理過程。因此，宇宙線的研究對于人類認(rèn)識宇宙有重要意義。

宇宙線的能譜在拍電子伏(1拍=1千萬億)附近呈現(xiàn)一個(gè)拐折結(jié)構(gòu)，這表明銀河系中存在著至少能把質(zhì)子加速到拍電子伏的天體。對于目前的人類文明來說，拍電子伏是一個(gè)難以企及的能量，相比起來，目前地球上最大的人造粒子加速器（即歐洲核子研究中心的LHC）能夠加速粒子的極限能量僅為0.01拍電子伏左右。這些宇宙線的起源天體相當(dāng)于天然的粒子物理實(shí)驗(yàn)室，找到這些天體并研究它們的特性不僅是人類認(rèn)識理解宇宙的一個(gè)重要里程碑，也可能成為突破當(dāng)前基礎(chǔ)物理學(xué)框架的關(guān)鍵一步。

圖1. 1太電子伏特之上的宇宙線能譜，紅圈標(biāo)出了1拍電子伏特附近的拐折（圖片來源：Blümer et al 2009, Prog. Part. Nucl. Phys.63293）

難以企及的拍電子伏

在宇宙線被發(fā)現(xiàn)一個(gè)多世紀(jì)后的今天，人類對于宇宙線的研究與認(rèn)識有了巨大的進(jìn)展，但對于銀河系中的拍電子伏宇宙線加速器的天體類型與位置卻一直沒有明確的答案。這是為什么呢？

主要難點(diǎn)有兩個(gè)：第一，宇宙中遍布磁場，而帶電粒子在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)被磁場偏折運(yùn)動(dòng)方向。宇宙線從源到地球的傳播過程中已經(jīng)失去源的位置信息，科學(xué)家們無法通過宇宙線粒子的到達(dá)方向直接定位源的位置。鑒于這種情況，科學(xué)家們轉(zhuǎn)而把目標(biāo)變?yōu)樘綔y這些宇宙線與星際介質(zhì)相互作用產(chǎn)生的光子。

第二，把粒子加速到拍電子伏的條件相當(dāng)苛刻，即便天體具有很強(qiáng)的加速能力，也只有很小一部分粒子能成功達(dá)到如此之高的能量，因此產(chǎn)生的超高能光子的信號也非常弱。

讓我們來更詳細(xì)地看一下宇宙線與星際介質(zhì)的相互作用過程：當(dāng)一個(gè)拍電子伏的質(zhì)子與源內(nèi)或源周圍的物質(zhì)產(chǎn)生碰撞時(shí)，它會(huì)損失一部分能量并產(chǎn)生兩個(gè)能量為其10%左右的伽馬光子；而一個(gè)拍電子伏的電子也會(huì)通過與宇宙微波背景光的散射并產(chǎn)生一個(gè)幾百太電子伏的光子(1拍=1000太)。

由于光子的運(yùn)動(dòng)不會(huì)受磁場影響，探測到能量在0.1拍電子伏以上的光子（也稱為超高能光子）的源便可定位拍電子伏粒子加速器。然而此前國際上主流探測器主要工作在0.1 拍電子伏能量以下，難以有效確認(rèn)拍電子伏宇宙線加速器。

里程碑式的新發(fā)現(xiàn)

我國的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）是當(dāng)前國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測器。它的工作能量從太電子伏一直延伸到拍電子伏，不僅具有一平方公里的超大有效探測面積，其配備的1188個(gè)繆子探測器還能夠把混在十萬個(gè)背景事件中的一個(gè)光子信號準(zhǔn)確挑出。憑借著強(qiáng)勁的性能，LHAASO僅靠其在1/2規(guī)模階段運(yùn)行11個(gè)月收集到的數(shù)據(jù)，便一舉在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個(gè)超高能伽馬射線源！

這項(xiàng)里程碑式的新發(fā)現(xiàn)打開了超高能伽馬射線天文觀測的新窗口，使人類得以瞥見銀河系中的洶涌暗流。我們有理由相信，在未來幾年中，當(dāng)完整的LHAASO投入使用后，很可能會(huì)發(fā)現(xiàn)銀河系中遍布超高能伽馬射線源，這足以撼動(dòng)人類對銀河系的傳統(tǒng)認(rèn)知。

在這12個(gè)源當(dāng)中，既包含了如蟹狀星云、天鵝座恒星形成區(qū)等在伽馬射線天文領(lǐng)域著名的天體，也有此前從未發(fā)現(xiàn)過的新源。最令人吃驚的是，前兩者中最高的光子能量竟達(dá)到了1拍電子伏，大大刷新了人類探測到的光子最高能量的紀(jì)錄，也對這兩個(gè)天體的傳統(tǒng)理論解釋提出了嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。

一千年以后，重新認(rèn)識蟹狀星云

蟹狀星云誕生于公元1054年的一次超新星爆發(fā)。在這喻示恒星毀滅的驚嘆聲中，一顆強(qiáng)勁的脈沖星產(chǎn)生了。這顆脈沖星驅(qū)動(dòng)的極端相對論性正負(fù)電子對風(fēng)，在與超新星拋射物激烈的相互作用下，造就了強(qiáng)大的拍電子伏粒子加速器。

蟹狀星云與中國其實(shí)頗有淵源，它的誕生過程最早由北宋的司天監(jiān)記錄下來（《宋史·志·卷九》：“至和元年（1054）五月己丑，出天關(guān)東南可數(shù)寸，歲余稍沒”）。這珍貴的歷史記錄使當(dāng)代的天文學(xué)家得以確定蟹狀星云的精確年齡并據(jù)此研究其演化及各種物理過程。如今，蟹狀星云被稱為“伽馬天文標(biāo)準(zhǔn)燭光”，對天文學(xué)的意義不言而喻。在其被中國古天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)的一千年后，中國的探測器又一次開啟了人類對這個(gè)星云的新認(rèn)知。

圖2.（左）可見光波段觀測到的蟹狀星云（圖片來源：NASA）（右）宋史中對產(chǎn)生蟹狀星云的超新星爆發(fā)的記載（圖片來源：界面新聞）

創(chuàng)紀(jì)錄的天鵝座恒星形成區(qū)

天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮的區(qū)域，這里聚集著大量的大質(zhì)量恒星，總質(zhì)量達(dá)到數(shù)萬倍太陽質(zhì)量。大質(zhì)量恒星具有強(qiáng)烈的星風(fēng)，速度可達(dá)幾千公里每秒。在這樣相對狹小的空間里，許多星風(fēng)互相之間發(fā)生猛烈的碰撞，造成天鵝座恒星形成區(qū)復(fù)雜的強(qiáng)激波、強(qiáng)湍流的環(huán)境。

此外，大質(zhì)量恒星的壽命只有百萬年量級，可以預(yù)期頻繁的超新星爆發(fā)，而后者產(chǎn)生的爆震波將進(jìn)一步加劇該區(qū)域的激波與湍流過程，這使得天鵝座恒星形成區(qū)成為理想的宇宙線加速場所。LHAASO在該區(qū)域發(fā)現(xiàn)了1.4拍電子伏的最高能量光子，預(yù)示著“拍電子伏粒子加速器”或許已不足以形容天鵝座恒星形成區(qū)作為粒子加速器的強(qiáng)大。

圖3. 紅外波段的天鵝座恒星形成區(qū)（圖片來源：NASA）

值得一提的是，LHAASO的強(qiáng)勁性能不僅體現(xiàn)在對超高能伽馬源的探測，還表現(xiàn)為其對源的能譜的精確測量。LHAASO團(tuán)隊(duì)分析了另外三個(gè)明亮源的能譜，發(fā)現(xiàn)光子數(shù)隨能量的分布函數(shù)可以很好地用對數(shù)拋物線描述，這使得科學(xué)家們能夠?qū)@些光子背后的輻射機(jī)制與粒子加速過程做出定量的判斷。

圖4. LHAASO測量到的三個(gè)超高能伽馬射線源的能譜，黑色實(shí)線是用對數(shù)拋物線對能譜的最佳擬合，擬合優(yōu)度遠(yuǎn)高于用冪率函數(shù)的擬合（黑色虛線），小圖是LHAASO對三個(gè)源的成像

作為我國第三代高山宇宙線探測器，LHAASO承載著中國一代又一代科學(xué)家與工程師持之以恒的夢想與心血。自1954年中國第一代高山宇宙線探測器在云南東川落雪山落成以來、經(jīng)歷了位于西藏羊八井第二代探測器ASγ與ARGO-YBJ的沉淀后，（點(diǎn)擊此處了解有關(guān)ASγ的有用知識）中國在伽馬射線天文學(xué)領(lǐng)域躋身于世界前列，而LHAASO將在未來至少十年內(nèi)引領(lǐng)這個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。當(dāng)中國逐步在國際社會(huì)上展現(xiàn)出大國擔(dān)當(dāng)?shù)耐瑫r(shí)，我們也期待著今后中國能為人類對宇宙的探索做出更多重要的貢獻(xiàn)。

圖5. 中國三代高山宇宙線探測器。（左）云南東川落雪山宇宙線實(shí)驗(yàn)站，海拔3180米；（中）西藏羊八井宇宙線觀測站ASγ和ARGO-YBJ，海拔4300米；（右）四川稻城海子山高海拔宇宙線觀測站LHAASO，海拔4410米，目前已基本建成（圖片來源：中國科學(xué)院高能物理研究所）