携百万亿“巨款”，在宇宙中漂流6500年，它们在中国被逮到了！

　　作者：巧克力

　　编辑：班立言

　　审核人：中科院高能物理研究所粒子天体中心研究员 黄晶

　　围观！百万亿级“富豪”驾临

　　上周，还沉浸在娱乐圈“吃瓜”快感里的网友们，等来了一颗基础科学界的“大瓜”！

　　7月3日，中国科学院高能物理研究所宣布，中日合作西藏ASγ实验团队利用我国西藏羊八井ASγ实验阵列观测到24颗能量超过100万亿电子伏（TeV）的宇宙伽玛光子，能量最高的一颗甚至达到了450万亿电子伏！这是迄今为止人类观测到的最高能量的伽玛光子。

　　这是什么概念呢？一般可见光光子的能量为几个电子伏，450万亿电子伏相当于一般可见光光子能量的百万亿倍！

　　图注：我国西藏羊八井ASγ实验（左图：ASγ表面阵列；右图：地下水切伦科夫探测器）。图片来源：高能物理所

　　穿越6500光年来看你

　　宇宙伽玛光子属于宇宙射线的一种。宇宙射线主要是来自太阳系外，有的甚至是银河系外的高能粒子。绝大部分宇宙线为质子和其它一些裸原子核，还有一部分电子、甚至一些反物质粒子和高能光子等。

　　本次观测到的高能伽玛光子可大有来头，它们来自大名鼎鼎的“蟹状星云”（见图）。为什么能确定它来自“蟹状星云”？这是由于光子是不带电的，因此，它们在穿行太空的过程中，不会被星际磁场偏折，能够很好定位其源头。而其它带电粒子，由于受到星际磁场的偏折，定位来源非常困难。

　　图注：著名的超新星遗迹“蟹状星云”，距离地球约6500光年。图片来源：图虫创意

　　“蟹状星云”是由一颗银河系内的恒星死亡爆炸形成，也就是所谓的“超新星”。公元1054年，我国宋代天文学家对这颗超新星进行了观测并做了详细记载。超新星爆炸的能量非常巨大，光芒甚至白天可见。900多年后的今天，它的外部物质已经膨胀成一个美丽的星云，看起来像个大螃蟹，美其名曰“蟹状星云”。

　　“蟹状星云”距离地球6500光年，也就是说，这些高能伽玛光子经过了6500年的旅行才来到地球。高能伽玛光子来到地球后，无法穿透厚厚的大气层，沿途被空气阻挡。

图注：大气簇射艺术图。

　　当高能伽玛光子与气体中的原子核碰撞时，就会产生大量的次级粒子，次级粒子又会产生下一级的次级粒子，称为“大气簇射”。也就是说，入射的粒子能量太高了，它携带的能量能够产生出大量的其它各种粒子。

　　所以，我们探测到的其实不是原初的高能伽玛光子本身，而是由它生成的次级粒子，间接反推出原初的入射粒子的性质。

　　“西藏羊八井ASγ实验”的科学家发现，原初伽马射线入射大气后产生簇射的次级粒子中，μ子的比例很少，而其他宇宙线（如质子）中，μ子的比例很多。利用这个原理，他们开发了专门用于观测μ子的设备装置，称之为“地下缪子水切伦科夫探测器”，并利用这些特有的装置，将其他种类的宇宙线排除了99.92%，最终观测到了人类观测史上最高能的伽玛光子。

　　科学家推测，高能伽玛光子是“蟹状星云”中高能电子碰撞宇宙微波背景辐射中的光子产生。简单说就是：高能电子与低能光子碰撞，把低能光子提高成高能光子了。该过程的物理学名词叫“逆康普顿散射”。

　　你也许还会追问，高能电子是如何产生的呢？目前，这个问题科学家也没确定答案，只能给一种可能性的答案。例如，南京大学的陈阳教授认为，这可能与条纹状脉冲星风磁重联有关。磁重联产生的激波把电子加速到极高的能量。

　　太阳上的磁重联我们相对熟悉一些，当磁重联发生时，就会发生”太阳耀斑“，释放出极大的能量，太阳风加强，进而在地球两极激发出美丽的极光。

　　探索极端宇宙开启了一扇新窗口

　　当引力波首次被探测到时，人们通常会问意义是什么？最简洁的回答是，打开了人类观测宇宙的新窗口。类比这个回答，我们也可以说，本次发现100万亿电子伏能量以上的高能伽玛光子，打开了一扇探索极端宇宙的新窗口。

　　高能粒子加速器会失业吗？

　　我们知道，本次探测到的最高能光子达到了450万亿电子伏的能量。然而，目前人类研制的最高能量的电子加速器仅能够达到0.2万亿电子伏，最高能量的质子加速器（LHC）也仅仅能够达到7万亿电子伏。

　　那么，宇宙射线的探测能够替代高能粒子加速器吗？答案是并不能！其实，宇宙射线的观测与高能粒子加速器实验是互补的。虽然人工加速器还无法到达这么极端的能量，但产生粒子的数量是可控的，不靠天吃饭，而且流量稳定，能够精细研究粒子的各种性质。