这项实验，或可解开超高能宇宙线起源的“世纪之谜”

　　出品：科普中国

　　制作：覃拈（武汉大学物理学博士）

　　监制：中国科学院计算机网络信息中心

　　近日，位于中国西藏的ASγ实验观测到迄今为止最高能量的宇宙伽马射线，最高能量接近1 PeV(1000万亿电子伏特)，这是国际上首次发现拍电子伏特宇宙线加速器（PeVatron）在银河系中存在的证据。该成果被国际同行称为解开高能宇宙线起源“世纪之谜”的里程碑。

　　图1：图中的雾状结构是银河系银盘的星际分子，黄色点是超高能伽马射线的分布，阴影部分是西藏观测站的观测盲区。图源：ASγ实验

　　冷战的美苏双方，联手开启伽马射线天文学

　　冷战时期，美国和苏联签订了禁止部分核试验的条约。为了监视苏联方面对条约的执行情况，美国专门发射了一系列名叫Vela的侦察卫星，这种卫星上装有监测伽马射线的探测仪器。

　　如果地球上有人进行核爆炸试验，试验将产生大量的伽马射线，Vela卫星可以探测到这种高能射线，帮助定位试验在地球上的发生地点。

　　1967年，Vela卫星多次探测到伽马射线的突然增强，随即又快速减弱。这种来无影去无踪的发现让美国人吓了一跳，难道苏联人在如此密集地进行核试验？进一步检查发现，伽马射线的爆发现象是随机发生的，大约每天发生一到两次，强度可以超过全天伽马射线的总和。这种爆发的来源不是地球，而是宇宙空间。

　　来自冷战背景的军事侦察卫星，没有监测到核试验的伽马射线，反而很意外地发现了来自宇宙的伽马射线。

　　美国Vela卫星的发现，随后还被苏联的Konus卫星证实。历史就是这么有趣，冷战的美苏双方，联手开启了伽马射线天文学。对宇宙伽马射线的研究，如今已成为最为炙手可热的研究领域之一。

　　宇宙中最亮的仔

　　我们在初中物理学过牛顿的三棱镜色散实验：一束白光经过三棱镜会分成赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色光，不同颜色的光具有不同的频率，波长和能量也不同，它们都是可见光，能被人类的眼睛看到。

　　图2：三棱镜色散实验 图源：维基百科

　　伽马射线本质上也是一种光，但是肉眼不可见。它的波长非常短，能量特别高，比普通可见光的能量高成千上万倍。作为对比，能被人类看到的可见光里面，紫光的能量最高，能量大约3 eV（电子伏特）左右。伽马射线的能量却在10000 eV以上，而且上不封顶。伽马射线虽然肉眼看不见，但离我们的日常生活却并不远。比如地铁和火车站的安检设备使用的X光机，其实就是利用了能量较低的“软”伽马射线，这种伽马射线是人造的。

　　在浩瀚的宇宙中，天体活动能够自然产生能量极高的“硬”伽马射线，成为天然的宇宙线加速器。当天体的活动非常剧烈时，可以在短时间内爆发出非常多的伽马射线，就像大暴雨一样，因此，科学家把这种现象称为“伽马射线暴”。

　　宇宙伽马射线的能量极高，到底有多高呢？日常生活中，我们肉眼看到的最亮天体是太阳，而天体爆发辐射出的伽马射线总能量比太阳还高得多。能够在很短的时间内，比如几分钟甚至几秒钟之中，释放巨大的能量，这相当于太阳在几十亿年寿命中释放的能量总和。在伽马射线暴面前，太阳就是个小朋友，完全不可与之相提并论。

　　实际上，宇宙中的超高能伽马射线的明亮程度可以媲美整个宇宙，是宇宙中当之无愧“最靓（亮）的仔”。

　　图3：伽马射线暴示意图，伽马射线的束流从天体的两头射出 图源：NASA

　　如何探测伽马射线？

　　高能宇宙伽马射线从太空射向地球的过程中需要穿过大气，这时它们与大气中的原子核发生相互作用，会撞出各种各样的新粒子。这些粒子在飞行过程中会再次与大气的原子核发生作用产生更多的粒子，像暴雨一样从空中洒向大地，如此“一生二，二生三”地不断发生反应产生新粒子，仿佛一颗大雨滴往下飞行的过程中散落成千千万万簇的小雨滴，科学家把这些小雨滴叫做“簇射”。

　　图4：地面的探测器阵列对来自太空的宇宙射线“簇射”进行测量

　　图源：ASγ实验

　　科学家通过探测这些到达地球表面的“小雨滴”来间接地研究宇宙射线。高能量宇宙伽马射线形成的“小雨滴”簇射范围非常大，簇射产生的大量次级带电粒子几乎同时到达地面。测量这些同时到达的带电粒子就可以获得“簇射”事例。这些簇射到达地表时的面积往往很大，约有几百、几千，甚至上万平方米的面积。一般来说，越高能量的宇宙射线到达地表的簇射面积就越大。

　　问题来了，这些“小雨滴”到达地面的分布范围太大，远远大于人类所能建造的单个探测器，像FAST那样的中国天眼也无法覆盖这样的范围。那怎么办？科学家们想出了办法：使用“探测器阵列”，把几十上百个小探测器按照一定几何分布排列在地面，组成一个超级大的探测器方阵。

　　可以想象，这样的大型阵列往往需要建在平地上。同时，为了防止宇宙伽马射线产生的“小雨滴”被空气吸收，探测器阵列往往选择高原作为建设地点，利用稀薄的大气层让探测器探测到更多粒子。

　　依托此种思路，我国ASγ实验的宇宙线观测站就建在西藏羊八井，羊八井的海拔在4300米，有效利用了当地高海拔大气稀薄的优势。

　　图5：西藏羊八井宇宙线观测站 图源：ASγ实验

　　羊八井宇宙线观测站的表面阵列面积分布达到65000平方米，2014年还创造性地增设了面积3400平方米的地下μ子水切伦科夫探测阵列，用于探测宇宙线与地球大气作用产生的μ子。

　　ASγ实验通过综合利用地面和地下探测器阵列的数据，将100TeV以上的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，成为世界上对超高能伽马射线最灵敏的探测器阵列。

　　这是ASγ实验近年来连续取得系列重大发现的关键技术基础。

　　研究高能宇宙线起源“世纪之谜”的里程碑

　　ASγ实验团队由中日科学家联合组成，这次，他们宣布发现了957 TeV能量的超高能伽马射线，能量接近1 PeV（1000万亿电子伏特，1后面跟15个零），这是国际上首次发现拍电子伏特宇宙线加速器（PeVatron）在银河系中存在的证据。

　　该结果被美国物理学会评论为研究高能宇宙线起源“世纪之谜”的里程碑。

　　图6：不同能量伽马射线的分布区域 图源：ASγ实验

　　羊八井宇宙线观测站实际观测到多个几百TeV的伽马射线，这些伽马射线中，最高能量的一个信号接近1 PeV。由于伽马射线不带电，在宇宙中电磁环境下不会发生偏转，利用这个性质可以确定伽马射线的来源。

　　通过分析这些伽马射线在天空中的来向，再将其与银河系银盘的方位进行对比发现，它们弥散在银盘上，这与银河系中星系气体的分布范围类似，说明这些超高能伽马射线来自于银河系内部，而不是银河系之外。

　　对于超高能宇宙伽马射线的起源问题，有一种观点认为它们来自于PeV能量宇宙线和银河系分子云的碰撞（强子起源说）；另一种观点认为它们可能来自脉冲星发射的相对论性电子产生的韧致辐射和低能光子发生的逆康普顿散射（轻子起源说）。

　　科学家通过这次实验观察到的能谱特征和角分布，确认超高能宇宙射线更支持强子起源说，也就是说，这些伽马射线是宇宙线和星际气体发生强子相关的相互作用而产生的。这个发现大大提高了人们对超高能伽马射线的认识。

　　仅仅在一个月之前，ASγ实验团队还宣布了另一个发现，距地球2600光年的超新星遗迹 SNR G106.3+2.7发射出了超过100 TeV的伽马射线，在国际上首次发现超高能宇宙线加速候选天体。

　　依靠超高灵敏度的西藏羊八井宇宙观测站，ASγ实验团队在不断创造，又不断超越自己的观测纪录。

　　此外，我国正在四川稻城建造“大面积高海拔宇宙线观测站”（LHAASO），其四分之三阵列已经建成并投入观测运行。和ASγ实验相比，LHAASO的能量范围和灵敏度更上一层楼，在国际上傲视群雄，相信将把宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新的高度。

　　参考文献:

　　[1] Amenomori, M., Bao, Y. W., Bi, X. J., Chen, D., Chen, T. L., Chen, W. Y., ... & Tibet AS γ Collaboration. (2021). First detection of sub-PeV diffuse gamma rays from the Galactic disk: Evidence for ubiquitous galactic cosmic rays beyond PeV energies. Physical Review Letters, 126(14), 141101.

　　[2] The Tibet ASγ Collaboration., Amenomori, M., Bao, Y.W. et al. Potential PeVatron supernova remnant G106.3+2.7 seen in the highest-energy gamma rays. Nat Astron (2021). https://doi.org/10.1038/s41550-020-01294-9

　　[3] 科学网.西藏羊八井实验发现超高能宇宙线加速候选天体.http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/3/453722.shtm

　　[4] 高能所. 西藏 ASγ 实验首次发现 PeV 能量宇宙线源存在于银河系的证据.http://www.ihep.ac.cn/xwdt/gnxw/2021/202103/t20210331_5987922.html

　　[5] 中国科普博览. 中国科学家发现迄今最高能量宇宙伽玛射线，有什么重要意义？https://www.zhihu.com/question/333072948/answer/742322496