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看,宇宙线在银河系内留下的串串足迹

中科院高能物理所研究员黄晶介绍,ASγ实验探测到的伽马射线是宇宙线在银河系内留下的 “一串串足迹”,是PeVatron广泛存在于银河系的重要证据。
 
1911年至1913年间,年轻的奥地利物理学家维克多·赫斯(Victor Hess)利用气球和附着的电离室装置,证明了一个在当时看来极其大胆的假设:人们在地球表面观察到的一种神秘放射线,并非来自脚下的地球,而是来自太空的穿透性辐射。这种高能辐射起初被命名为 “赫斯辐射”,后改称 “宇宙射线”,并在全球范围引发了极大的研究兴趣。
 
一百多年后的今天,我们仍然无法准确回答关于宇宙射线的基本问题:这些宇宙空间中最高能量的粒子究竟来自哪些天体,它们又是如何产生的?
 
最近,中日科学家在西藏羊八井的合作工作,使得我们距离回答这些问题近了一步。
 
撰文|辛玲(《知识分子》特约撰稿人)
 
编辑|陈晓雪
 
赫斯因发现能够穿透太空的宇宙射线获得诺贝尔物理学奖,并将毕生精力投入到宇宙射线对人体影响的研究。然而,他的发现给我们带来的问题远比答案要多。
 
一百多年后的今天,我们仍然无法准确回答关于宇宙射线的基本问题:这些宇宙空间中最高能量的粒子究竟来自哪些天体,它们又是如何产生的?
 
近日,中日合作西藏 ASγ实验的最新工作,将宇宙射线研究大大向前推进了一步。根据即将发表在美国《物理评论快报》的论文,两国科学家在银河系的银盘上发现了几十个弥散分布的高能伽马射线,其中最高能量接近1000万亿电子伏特(即1015eV,或1 PeV),这是PeV宇宙线加速器在银河系中存在的首个观测证据。
 
“ASγ的结果清楚地印证了存在已久的理论猜测,即银河系内部存在将质子加速到PeV能量级的机制。这一发现非常诱人,可以说它让宇宙线的研究越发复杂而有趣了。” 密歇根理工大学粒子物理教授、美墨合作高海拔切伦科夫天文台(HAWC)实验发言人 Petra Huentemeyer 告诉《知识分子》。Huentemeyer 未参与这一研究。
 
西藏ASγ实验团队观测到的超高能弥散伽马射线事例(黄点),在银道坐标系下的分布情况。这些超高能弥散伽马射线,能量在 400 TeV到 1 PeV 之间,表现出向银盘(图中水平中线)集中分布的特点。灰色阴影区域是ASγ实验无法观测的区域。背景色轮廓显示了银河系坐标中氢原子的分布。
来源:https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/foreground/fg_hi4pi_get.cfm
 
1 寻找银河系里的超级粒子加速器
 
宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子流,主要由质子(即氢原子核)和其他原子核(如氦原子核、铁原子核等)组成。这些粒子的能量分布很广,最高可达1020 eV,远远超过目前人工粒子加速器实验所能达到的1012-1013eV。
 
对宇宙线进行直接观测的一大困难在于,带电粒子在银河系飞行过程中会受到磁场作用,从而使运动方向发生偏转,到达地球时早已无从寻找其真正的源头方向。
 
幸运的是,宇宙线在向外传播时,会与星际介质碰撞,产生能量约为宇宙线母粒子能量十分之一的高能伽马射线。而伽马射线不带电,沿直线传播,从而成为科学家们研究宇宙线的重要抓手。
电中性的伽马射线成为宇宙线研究的重要抓手(Masahiro Teshima @ ICRC2011,中科院高能所 黄晶)
 
理论模型显示,银河系内的某些天体,如超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心超大质量黑洞等,都可能将宇宙射线粒子加速至PeV的高能量。能将宇宙线加速到这个能量级的天体,被称作 “拍电子伏特宇宙线加速器” (PeVatron)。遗憾的是,由于宇宙背景噪音过大、探测器不够灵敏等原因,科学家们始终未能用实际观测证实PeVatron的存在。
 
“ASγ的实验结果非常及时,为PeVatron研究增加了一条关键线索。” Huentemeyer说。她认为,尽管国际上类似实验如HESS望远镜曾在2016年探测到来自人马座A的PeVatron候选体,她本人所在的HAWC天文台也于去年发布了若干超高能伽马射线源,但 “ASγ在这些能区探测到弥散的伽马射线辐射,而且离此前探测到的伽马射线源都很远,这尚属首次。”
 
如果将PeV能量级的宇宙射线比作恐龙,那么这次ASγ探测到的亚PeV级伽马射线就是“恐龙在银河系内留下的一串串足迹,是PeVatron广泛存在于银河系的重要证据。”中国科学院高能物理所研究员、ASγ实验中方首席科学家黄晶在4月2日下午举行的新闻发布会上表示。“我们的工作显示,从PeVatron产生的宇宙线被困在星系磁场中达数百万年,形成了一个宇宙线池。宇宙线与星际物质相互作用产生高能伽马射线。”
 
未参与这一研究的中国科学院高能物理研究所研究员张双南认为,科学界对PeVatron存在的猜测由来已久,因此这次的发现并非出乎意料。ASγ实验的意义正是在于首次观测到了这些PeVatron在银河系中存在的证据。
 
“这种观测成果本身就是一项重大突破。” 张双南说。
 
2 探测的关键
 
虽然科学家们知道可以用电中性的伽马射线来反推宇宙线来源,但伽马射线其实很难探测到,因为它们数量有限,常被淹没在嘈杂的宇宙线背景中。
 
在海拔4300米的西藏羊八井,ASγ实验的中日科学家们能捕捉到更多的伽马射线,但宇宙线也更多了。黄晶和同事们经过仔细分析,发现可以用一种叫做缪子(muon)的基本粒子,来区别到达探测器的宇宙线和伽马射线。
 
在穿透大气层的过程中,宇宙线产生的缪子比伽马射线产生的缪子要多几十倍。如果能精确测量出缪子的数量,就可以从宇宙线背景中筛选出伽马射线。
(左)宇宙线与伽马射线的区别;(右)通过对探测器接收到的缪子计数,可以挑选出伽马射线(中科院高能物理所 黄晶)
 
2014年,在ASγ实验运行24年后,中日双方对探测器完成了一次重大升级改造:在现有六万多平方米的宇宙线表面阵列下面,新增了有效面积达3400平方米的地下水切伦科夫缪子探测阵列。这些缪子探测器位于地下2.5米深处,由160个直径为20英寸的光电倍增管组成。
西藏羊八井ASγ实验(左:ASγ表面阵列;右:地下水切伦科夫缪子探测器)
 
“利用这些自主开发的缪子探测器,我们在国际上首次准确测量了次级宇宙线中所含的缪子,把宇宙线背景噪声压低到百万分之一,从而极大地提高了伽马射线探测的灵敏度。这成为ASγ实验近年来取得系列重大发现的关键。” 黄晶说。
 
从超过一千万个事例中,中日科学家们最终筛选出38个缪子数少的事例,将它们的来源确定为超高能伽马射线。然后,利用空间分布和能谱分布特点,确定了这些伽马射线只可能来自于宇宙射线,而非其他来源。
 
在中科院高能物理所的新闻发布会现场,来自中日两国的科学家、官员代表都对此次重大发现表示由衷祝贺。
 
“此次发现是中日合作双方30年持之以恒、不断创新、不断努力的结果。” 中科院高能物理所所长王贻芳表示。
 
ASγ实验组由中科院高能物理研究所、中科院国家天文台等12家国内合作单位以及日本东京大学宇宙线研究所等16家日方合作单位组成。该项目得到中国科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、日本文部省、日本学术振兴会(JSPS)、西藏自治区各级政府及西藏大学等的长期支持。
 
3 宇宙线研究的下一步:确认对应天体来源
 
虽然此次ASγ实验发现了银盘面弥散伽马射线源的能量和位置,但并未指出这些伽马射线究竟是从哪些天体发出的。
 
“下一步的工作需要探测更多的伽马射线源,并确认对应的天体来源究竟是哪些。” 张双南说。
 
目前,中科院高能物理研究所已将ASγ实验的具体运行交付给国家天文台,以便更好地聚焦于中国下一代宇宙线研究装置——高海拔宇宙线观测站(LHAASO)的建设和运行。
 
LHAASO位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,是世界同类装置中灵敏度最高的宇宙线探测器,由五千多个电磁粒子探测器、上千个缪子探测器、7.8万平方米水切伦科夫探测器及12台广角切伦科夫望远镜组成。
 
作为羊八井实验的继任者,LHAASO的有效探测面积约为羊八井的一百倍,即LHAASO只用3-4天就能获得羊八井实验一年的数据量。
 
“据我所知,更多有关PeVatron的研究成果会很快发表,尤其是来自LHAASO合作组的研究。” Huentemeyer说,“我也非常期待规划中的宇宙线实验,如欧洲的切仑科夫望远镜阵列(CTA)和南美的南部广域伽玛射线天文台(SWGO)将发现更多的PeVatron,并对其射线进行精确测量,以便我们更好地理解这些宇宙极端区域的粒子加速机制及银河系的能量含量。”
 
相关文献:
 
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



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