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什么是宇宙线?这个观测站希望为宇宙线起源之谜“一锤定音”

时间:2021-11-03 16:40:23    来源:科技日报    

LHAASO是目前和未来20年内最强的超高能伽马射线探测装置,部分阵列1年观测已经接连取得突破进展,未来有望带领我们揭开银河系内宇宙线起源这一世纪之谜,并在超高能伽马波段这一最高能量电磁波窗口探索浩瀚宇宙。

浩瀚宇宙,渺渺星空,在空荡荡的星际空间,有许多肉眼不可见的微观高能粒子在以接光速飞行。均而言,这些粒子可以在银河系内飞行百万年,其中有极少部分粒子与地球不期而遇,成为地球上神秘的“天外来客”。

1911年,奥地利物理学家赫斯乘坐气球,飞行到5千米的高空,首次发现这位来自宇宙的“客人”,这位“客人”被命名为“宇宙线”,赫斯也因宇宙线的发现获得了1936年的诺贝尔物理学奖。这一发现开启了人类探索宇宙奥秘的新篇章。

日,国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站拉索(LHAASO)正式通过能工艺验收,这标志着拉索已经建成,并正式进入科学运行阶段。建在4000米高海拔山端的拉索,以探索高能宇宙线起源以及相关的高能天体演化和暗物质研究为核心科学目标,正式开始科学运行后每天可以积累1.7亿个超高能宇宙线事例和20多亿个甚高能宇宙线事例。

什么是宇宙线?

赫斯是通过宇宙线在空气中产生的电离效应来证明其存在的,随后产生的首个问题就是宇宙线是什么粒子,这个问题困扰了人类很长时间。

刚开始,大多数人误认为它是来自宇宙的一种远高于X射线的高频电磁辐射,“宇宙线(即宇宙射线)”这个名字就是美国实验物理学家密立根在1925年首次提出,虽然这是当时对宇宙线的一种错误认识,但是这个名字一直沿用至今。

1932年,美国物理学家康普顿组织了大量人力对地球上不同地理纬度的宇宙线强度进行了测量,发现了地球磁场对宇宙线强度的调制效应,判定原初的宇宙线是带电粒子,而不是光子。

如今,人类可以利用先进的粒子鉴别技术,搭载高空气球、卫星或空间站到大气层顶部直接测定宇宙线的种类,知道了宇宙线主要是由带正电的原子核组成,其中含量最高的是质子(即氢原子核),还有元素周期表中的多种原子核,还包含少量光子、电子、中微子以及反粒子等。

在人造粒子加速器诞生之前的时代,宇宙线是唯一的高能粒子源,是人类研究高能微观粒子与物质相互作用规律的唯一工具。20世纪60年代,人造加速器的发展和粒子对撞机的出现,让宇宙线在粒子物理中的作用被取代,宇宙线的研究也逐渐转向粒子天体物理方面。

宇宙线源自何方?

迄今为止,人们观测到的宇宙线粒子的最高能量已达到1020电子伏特(eV),是人类最大的粒子加速器——欧洲核子中心大型强子对撞机所能加速粒子能量的1000万倍。这么高能量的宇宙线起源于什么天体?它们是如何被加速到极端高的能量的?这些问题长期推动着人类去探索宇宙和大自然的奥秘,其中最基本最核心的问题是起源问题,被称为“世纪之谜”。

宇宙线为带电粒子,在传播过程中会被宇宙空间中的磁场影响后偏转运动方向进而失去源头位置信息,所以通过宇宙线粒子探测并不能找到宇宙线的起源天体。宇宙线的能谱从1011eV到1020eV大体呈现为幂律形式,表现为非热加速起源特。中间有两个明显特征:在1015eV附能谱变软,呈现出“膝”形结构;在1018eV附能谱变硬,呈现出了“踝”形结构,这些结构蕴含关于宇宙线起源的重要信息。根据银河系内天体的尺度和磁场强度对宇宙线加速上限的估计,一般认为,“膝”区能量及以下的宇宙线起源于银河系内的天体源,而“踝”区能量以上的宇宙线起源于银河系外。

宇宙线的测量特征说明其起源于非热辐射过程,而且能量非常高。人类根据对太阳的认识,认为普通的恒星不可能把粒子加速到如此高的能量。因此,宇宙线的发源地必然进行着极端剧烈的变化或者具备极端的物理条件。根据伽马射线天文观测结果,目前的候选天体主要有超新星及其遗迹星云、脉冲星及其风云、年轻大质量星团、双星系统、伽马射线暴、活动星系核等,这些候选源的共同特征是存在强激波。

如何探寻宇宙线?

高能伽马天文、高能中微子天文、极高能宇宙线天文是寻找宇宙线起源的三大重要支柱。高能中微子和极高能宇宙线天体源的探测可以为宇宙线起源探索提供“一锤定音”的证据。

此外,伽马射线是示踪其父辈带电粒子加速的重要探针,这些伽马射线天体源为宇宙线起源天体的寻找提供了重要的候选天体。伽马辐射存在两种可能的起源:一是高能电子与低能光子逆康普顿散射过程产生,即轻子起源;二是高能强子宇宙线与周围物质通过强子—强子相互作用的次级中π介子衰变产生,即强子起源。

强子宇宙线在宇宙线占据绝对主导份额,宇宙线起源问题的研究就是寻找强子宇宙线的起源天体。所以通过伽马射线观测寻找宇宙线起源的重点就是确定伽马射线的辐射机制,排除轻子起源和寻找强子起源证据,但是这同时也是难点所在,因为大部分源在GeV-TeV(1G=109,1T=1012)能区,很难区分这两种辐射机制,目前大部分伽马射线源倾向于轻子源。

轻子辐射和强子辐射的一个区分点是在超高能区。高能电子在星际磁场与辐射场中的冷却时标随能量升高而变短,100TeV以上存在Klein-Nishina高能压低效应,而强子源辐射的100TeV以上伽马射线不存在这些问题,因此超高能伽马射线是目前通过伽马射线确认宇宙线起源的希望,而且可以直接解决能量达PeV(1P=1015)量级的银河宇宙线起源问题,LHAASO就是为此目标而设计的。

拉索能做什么?

LHAASO作为年来以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施,探测面积达到1.36方千米,是国际同类装置西藏羊八井ASγ实验的20倍和美国HAWC实验的60倍。LHAASO在超高能区的灵敏度是国际同类装置10倍以上,同时也远高于下一代大型切伦科夫望远镜阵列,预计未来相当长时间内在超高能区保持国际领先。此外,LHAASO还是全球最灵敏的大视场甚高能伽马射线探测装置。

基于1/2阵列11个月数据,LHAASO取得了第一个突破进展,并于2021年5月17日发布在《自然》上,即发现了12个高显著的稳定超高能伽马射线源,其光子能谱一直延伸到1PeV附未见明显截断,从而确认了银河系内首批PeV粒子宇宙加速器,并揭示PeV加速器在银河系内可能普遍存在。这些发现开启了超高能伽马天文观测时代,表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体,为破解宇宙线起源这个世纪之谜指明了方向。

这次成果还包括记录到迄今人类观测到的最高能量光子,能量达1.42±0.13PeV,该区内部大量存在恒星生生死死的剧烈活动,具有复杂的强激波环境,是理想的宇宙线加速场所。如果LHAASO未来进行深入观测,则有可能为强子辐射起源提供强有力证据,将成为解开“世纪之谜”的突破口。

2021年7月9日,《科学》发布了LHAASO的第二个重要科学成果,测量了高能天文学标准烛光蟹状星云的最高能量端能谱,此次研究不但确认了此范围内其他实验几十年的观测结果,还将标准烛光的测量范围由0.3PeV拓展至1.1PeV。

LHAASO预期每年可以记录到1—2个来自蟹状星云的PeV光子,未来几年内将可以探索更多关于PeV粒子加速的奥秘。

LHAASO是目前和未来20年内最强的超高能伽马射线探测装置,部分阵列1年观测已经接连取得突破进展,其全阵列已于2021年7月正式开始运行,未来有望带领我们揭开银河系内宇宙线起源这一“世纪之谜”,并在超高能伽马波段这一最高能量电磁波窗口探索浩瀚宇宙。

(作者系中国科学院高能物理研究所研究员 陈松战,原载于《前沿科学》2021年第3期,有删节)

关键词: 观测站 宇宙线 起源之谜 一锤定音 高能伽马天文

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