[科普中国]-西藏羊八井探测到宇宙最高能光子，相当于一只苍蝇飞行的动能

近日，中国与日本合作的西藏ASγ（AS：天文，γ：伽马）实验团队在位于我国西藏羊八井的ASγ实验中发现了迄今为止最高能量的宇宙伽玛射线。这是一种高频电磁波，也可以说是一种高能光子。在探测到的24个极高能光子中，其中一个伽马射线光子的能量高达450 TeV（eV表示电子伏特，为能量单位，1TeV=1.6*10^-7J），大约相当于450000个质子的质量。这也差不多是一只苍蝇的飞行动能，在微观世界中，是非常惊人的。作为对比，地球上最强大的粒子对撞机——欧洲核子中心的巨型对撞机，其中发生对撞的电子的动能也只有7 TeV，相隔两个数量级。这个宇宙中能量最高的光子，比此前国际上正式发表的75TeV的最高能量的光子能量高出了5倍以上。相关天文观测结果将于2019年7月下旬作为亮点文章在《物理评论快报》上发表。为什么要研究宇宙线？为了研究关于宇宙起源、物质存在的“终极问题”，物理学家们付出了艰辛的努力，比如，建造粒子对撞机（也叫粒子加速器）。通过用电磁场来加速带电粒子，使其速度达到接近光速，再相互碰撞，希冀从中找到关于“终极问题”的蛛丝马迹。但地球上的粒子对撞机的能量总是很低的，建造能量越高的对撞机需要花费的经费越多。这也是最近几年中国版的“巨型对撞机”建设遭遇以杨振宁先生为代表的科学家反对的主要原因。而研究宇宙线没有这个经费上的难处。因为宇宙线中的粒子能量可以非常高，从宇宙线与地球上的大气相互撞击的过程中，也可以产生类似于巨型对撞机的效果。所以，这种“靠天吃饭”的高能物理实验也有它特有的科学价值。宇宙线来源非常广泛，比如黑洞喷射、超新星爆发、类星体辐射等天体物理过程都会发射出高能射线，这些高能射线到了地球上，可以形成各种宇宙线的信号。只要在地面上“守株待兔”，就可以分析这些信号，得到很多有意思的发现。比如日本科学家小柴昌俊就在一个废弃的矿井中用一个巨大的水槽捕捉到了宇宙线——来自超新星1987的中微子，这也为小柴昌俊赢得了2002年的诺贝尔物理学奖。这次中国与日本合作的西藏ASγ实验团队研究的也是宇宙线。本次实验发现的是宇宙中最高能量的光子，因为“能量最高”，所以得到了《物理评论快报》编辑的青睐，成为“亮点文章”。西藏羊八井ASγ实验是怎么回事？西藏羊八井ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井，在这里AS是英文astronomic的前两个字母，意思是“天文观测”，而希腊字母γ是伽马射线的意思。也就是说，这个实验是观测来自天文过程的伽马射线。伽马射线一般指能量很高的光子，其光子能量比X射线还要高。1990年，西藏羊八井ASγ实验一期阵列建成并开始运行，后来多次升级改造，目前一共有5个不同的探测器，这些探测器在银河系宇宙线探测研究方面做出了一系列重大发现。本次发现宇宙中最高能量的光子是西藏羊八井实验30年积累的成果，可以说是“时间的玫瑰”。西藏羊八井ASγ实验由中科院高能物理研究所和日本东京大学宇宙线研究所共同主持，一开始双方一起出资4000万元人民币建成。目前在中国科学院高能物理所在西藏还在兴建阿里原初引力波观测天文台。通过μ子探测伽马射线那么，在西藏羊八井是直接探测到这些高能光子吗？不是的，其实羊八井探测到的是高能光子与空气分子碰撞后的产物——缪子（μ子，音“miu”）。缪子是一种不稳定的粒子，与电子一样，也是带电的，除了质量更大，其他性质都与电子相似，就好像是一个“肥胖版”的电子，而且它穿透地面的能力也比较强。这次在西藏探测到的缪子，就是在钻到地下2.4米的水槽中，随后被探测到的。这个水槽的面积大约是3400平方米，可以收集来自天空的缪子信号。这个水槽叫做缪子探测器，用水做探测器可以增大探测体积，成本比用固体缪子探测器要低。缪子在水中会发光，通过这些光可以确定缪子的踪迹。通过分析缪子的信号，可以反推出部分缪子是由高能的光子与空气分子相互碰撞而产生的。这里主要是要排除高能质子与空气分子碰撞产生缪子的背景信号，因为宇宙线中的质子产生的缪子非常多。西藏羊八井ASγ实验新闻发布人、中国科学院高能物理所研究员毕效军告诉记者：“宇宙线中的质子和伽马射线会和大气发生反应，我们真正探测到的都是这些反应的产物，这些产物包含有低能的正负电子、缪子、光子等等各种成分。我们说测量到缪子是指这些反应产物中的缪子。质子和伽马射线与大气层中气体分子反应后产生的缪子数目差别巨大，因而可以用来排除质子引发的缪子本底。而测量伽马射线主要的困难在于排除带电的宇宙线（主要成分是质子）本身的本底，因为本底比信号高了几个量级。”这个最高能量的光子来自哪里？测量到了缪子，排除掉大部分由质子产生的情况，就可以反推出产生出缪子的光子的能量。我们知道，伽马射线是光子，不带电荷，它在宇宙空间中运动的时候，不会受到银河系磁场的影响而偏转，所以它在运动过程中不会拐弯，这种“勇往直前”的性质可以帮助我们根据伽马射线的方向定出射线源的位置。研究团队通过分析得知，这个最高能量的光子来自银河系内的蟹状星云。这个像蟹一样的星云位于金牛座（夜空中的金牛座方向），而且这是一个有故事的星云。早在1054年，我国宋朝的天文学家就在《宋史》中详细记录了该星云中的超新星爆发现象，史称“超新星1054”事件。当时宋朝有一本书叫做《宋会要》，书中如此记载当时的天文现象：“嘉祐元年三月，司天监言：‘客星没，客去之兆也’。初，至和元年五月，晨出东方，守天关，昼见如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日”。这里的“凡见二十三日”的意思是，“有23天，我们在白天也能看到这颗星星”。这个蟹状星云距离地球6500光年左右，其能量来源是位于其中的高速旋转的脉冲星。脉冲星是一种高速旋转的中子星，因为其有强磁场，在高速旋转的时候会在星体的两极发射出电磁波，这种电磁波随着脉冲星的旋转会一阵一阵扫射到地球上，在地球上看起来这就好像是脉搏一样有规律的信号。之前，天文学家曾经在这个星云中找到过能量接近100TeV的高能光子。那么，在蟹状星云中是如何产生这个高能量的伽马射线呢？据悉，超高能量的伽玛射线是由高能带电粒子与宇宙微波背景辐射（“大爆炸”留下来的热辐射）的光子在一起发生“逆康普顿散射”产生的。康普顿散射是1923年美国物理学家康普顿与中国留学生吴有训在研究x射线通过实物物质发生散射的实验时发现的现象。他们发现光子可以与物质中的电子发生作用，其能量传递给电子，而使得光子的能量减少，波长变长。而所谓的逆康普顿散射则是反过来的，逆康普顿散射是指高能电子与低能光子相碰撞后，低能光子的能量会增加。天文学家认为，蟹状星云中产生了极高能的电子，这个电子与宇宙微波背景辐射的光子相互碰撞，把光子的能量提高到了450 TeV。这就好像用一辆高铁去撞一个篮球，把篮球加速到了高铁的能量一样。因此，“蟹状星云”是“银河系内天然的高能粒子加速器”。从这个意义上来说，蟹状星云是一个科学新闻的富矿。超高能伽玛射线的观测，将有助于揭示宇宙中极端天体的性质，帮助我们更好地了解其中的极端天体物理过程和规律。中国科学院高能物理所与合作者的这个成果再一次证明，就算是在一个已经被研究了很多年的古老星云中，依然埋藏着新的物理现象。作者 | 张华审稿 | 北京师范大学物理系教授 赵峥编辑 | 高佩雯文章由腾讯科普“科普中国头条创作与推送项目”团队推出转载请注明来自科普中国