2021年5月17日,國際著名期刊《自然》雜志發(fā)表了我國科學(xué)家的一項(xiàng)重要成果:在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了能量達(dá)1.4拍電子伏特的伽馬光子,相當(dāng)于可見光能量的千萬億倍!這是人類迄今為止探測到的最高能量的光子。
與此同時(shí),科學(xué)家還觀測到銀河系內(nèi)存在大量天然的 “超高能宇宙線加速器”。該發(fā)現(xiàn)改變了人類對銀河系的傳統(tǒng)認(rèn)知,開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。
上面這段話,是否感覺每個(gè)字都認(rèn)識,但讀完之后還是覺得似懂非懂呢?不懂是正?,F(xiàn)象。因?yàn)楸緛砀吣芪锢砭褪俏锢韺W(xué)皇冠上的明珠,是非常窄重的領(lǐng)域,再加上這又是一項(xiàng)最新的成果。我們在這里把物理名詞一個(gè)個(gè)拆解一下,詳細(xì)解讀。
什么是1.4拍電子伏特伽馬光子?
拍(P)是一個(gè)單位,代表10^15次方,也就是1千萬億。例如,目前硬盤的容量能夠達(dá)到1T,1P等于1000T。
“電子伏特”是能量的單位,通常在微觀領(lǐng)域使用,表示一個(gè)電子通過1伏特的電壓所獲得的能量。例如,當(dāng)一個(gè)電子從一節(jié)1.5伏的干電池的負(fù)極運(yùn)動到正極,就能獲得1.5電子伏特的能量。我們周圍,可見光的能量大約就是幾個(gè)電子伏特。
能量的主單位是焦耳,1焦耳相當(dāng)于625億億電子伏特。而你的手掌,在1秒內(nèi)就能釋放大約1焦耳能量??梢?,在宏觀領(lǐng)域,電子伏特是非常小的單位。
大家可能都聽說過,光具有波粒二象性,在電磁波譜能量比較高的一端,光的粒子性比較顯著,當(dāng)光子的能量達(dá)到100千電子伏特以上時(shí),人們就開始稱其為伽馬光子。通常,某些原子核的衰變能夠產(chǎn)生伽馬光子,例如能夠治療腦腫瘤的“伽馬刀”,就是利用鈷60釋放的伽馬射線殺死腫瘤細(xì)胞。
我們每年的例行體檢中都會拍胸片,則是利用的比伽馬光子能量低一些的X光子。
綜上所述,也就是說,這次我國科學(xué)家利用新建的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)觀測到了能量為1.4拍電子伏特的伽馬光子,能量比普通的伽馬光子要大幾十億倍。
發(fā)現(xiàn)這種拍電子伏特光子有什么意義嗎?
理論上,單個(gè)光子的能量似乎沒有上限,著名科幻小說《三體》中描繪說,宇宙中的超級文明通過釋放“光?!本湍艽輾б活w恒星。
但現(xiàn)實(shí)中,來自宇宙中的高能光子的能量有一個(gè)較明確的上限,這個(gè)上限是由于宇宙中到處充斥著宇宙微波背景輻射的緣故。微波背景輻射無處不在,古老電視屏幕跳動的雪花中,大約有1%是由于微波背景輻射干擾的結(jié)果。
當(dāng)高能光子遇到宇宙微波背景輻射中的這些低能光子時(shí),就會發(fā)生碰撞消耗能量。理論上,當(dāng)光子的能量達(dá)到拍電子伏特時(shí),就無法繼續(xù)升高了。也就是說,這次我國科學(xué)家觸碰到了高能光子能量的實(shí)際上限,極限附近最容易發(fā)現(xiàn)新物理,當(dāng)然意義重大了。
因此,該發(fā)現(xiàn)改變了人類對銀河系的傳統(tǒng)認(rèn)知,也開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。
此外,超高能宇宙線的來源和產(chǎn)生機(jī)制一直困擾著高能天體物理學(xué)家。其實(shí),宇宙中能量更高的射線是高能質(zhì)子,人類早已探測到能量比這次“拍電子伏特光子”能量還高數(shù)萬倍的高能質(zhì)子,這種微觀粒子的能量可相當(dāng)于一枚飛行的棒球。
但質(zhì)子是帶電荷的,它們在宇宙中穿行的過程中會受到星際磁場的偏轉(zhuǎn),因此無法追溯其來源,也就無法研究其產(chǎn)生機(jī)制。高能光子則不一樣,它們是不帶電的,能夠追溯其起源的地方,也就為研究超高能宇宙線的加速機(jī)制鎖定了研究對象。
什么是“超高能宇宙線加速器”?
加速器就是提升帶電粒子能量的裝置,老式電視機(jī)顯像管其實(shí)就是一種加速器,能夠加速電子轟擊屏幕發(fā)光。目前,世界上最大的歐洲大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)也是一種類型的加速器,能夠把質(zhì)子加速到99.999999%的光速,然后讓兩束這樣的近光速粒子流發(fā)生迎頭碰撞,產(chǎn)生大量次級粒子,觀察其中發(fā)生的物理現(xiàn)象。
我們知道,宇宙中到處都有高能粒子(射線),這些粒子的能量同樣是靠某種天然的加速機(jī)產(chǎn)生,能夠產(chǎn)生高能粒子的地方,就可看作宇宙天然加速器了。這些天然加速器的加速能力可了不得,這次發(fā)現(xiàn)的1.4拍電子伏特光子的能量相當(dāng)于LHC中質(zhì)子能量的幾百倍。
這次,我國新建的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)除發(fā)現(xiàn)了這顆能量達(dá)1.4拍電子伏特的光子之外,還發(fā)現(xiàn)了12個(gè)“拍電子伏特超高能宇宙線加速器”,這表明銀河系內(nèi)普遍存在此種類型的天然加速器。
這些高能粒子的加速機(jī)制是什么呢?現(xiàn)有的高能粒子加速機(jī)制,已無法完美解釋本次的新發(fā)現(xiàn),亟需構(gòu)建新的理論模型。
什么是高海拔宇宙線觀測站?
高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,Large High Altitude Air Shower Observatory)是世界上海拔最高(4410米)、規(guī)模最大、靈敏度最強(qiáng)的宇宙線探測裝置。
高海拔宇宙線觀測站位于中國四川省稻城縣海子山,占地面積約1.36平方公里。其核心科學(xué)目標(biāo)是:探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化和高能天體活動,并尋找暗物質(zhì);廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源,并精確測量它們的能譜;揭示宇宙線加速和傳播的規(guī)律,探索新物理前沿。
LHAASO采用什么原理探測宇宙線的?
我們知道,LHAASO雖然位于高海拔,但仍然處于大氣中,當(dāng)高能宇宙線來到地球后,首先要與大氣層中的原子核發(fā)生碰撞,根據(jù)愛因斯坦的質(zhì)能公式,能夠產(chǎn)生次級粒子,次級粒子還會產(chǎn)生次級粒子,直到能量低于某個(gè)臨界值時(shí),次級粒子才停止產(chǎn)生。
這樣,一顆高能粒子,就能產(chǎn)生N多次級粒子,這些次級粒子像陣雨一樣灑向地面,灑向探測器,專業(yè)上稱為“空氣簇射”。
因此,探測器直接探測到的,實(shí)際上是這些次級粒子。通過測量這些次級粒子的性質(zhì),反推第一個(gè)高能粒子的性質(zhì)。
那么,LHAASO采用什么方式探測的呢?LHAASO采用了四種探測器符合測量這些次級粒子。
1、電磁粒子探測器陣列:用于測量宇宙線空氣簇射中的次級電磁粒子,對原初宇宙線的方向,芯位和能量進(jìn)行重建。探測介質(zhì)為塑料閃爍體,通過波長位移光纖收集帶電粒子在閃爍體內(nèi)產(chǎn)生的閃爍光,并傳導(dǎo)到光電倍增管,轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行測量。
2、繆子探測器(MD)陣列:用于測量宇宙線空氣簇射中的繆子含量?;緲?gòu)造是在結(jié)構(gòu)體體內(nèi)放置高反射率水袋,水袋內(nèi)裝超純水,水袋頂部中心安裝光電倍增管,收集進(jìn)入水體的繆子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光,轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行測量。
3、水切倫科夫探測器陣列:通過觀測廣延空氣簇射中的次級粒子在水中產(chǎn)生的切倫科夫光,達(dá)到在甚高能中低能段對整個(gè)北天區(qū)伽馬源巡天觀測的目的,經(jīng)過數(shù)據(jù)分析,可以重建出原初伽馬射線或宇宙線的到達(dá)方向、能量等參數(shù)等。
4、廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列:測量高能宇宙線或高能伽馬射線通過簇射在大氣中產(chǎn)生的切倫科夫光或熒光。借助望遠(yuǎn)鏡獨(dú)有的可移動特性,通過階段性陣列布局調(diào)整,聯(lián)合其他探測器,精確測量宇宙線成份能譜。
我國的宇宙線研究發(fā)展簡史
我國的宇宙線實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)歷了三個(gè)階段,目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。
高山實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y介質(zhì),在地面進(jìn)行觀測,探測器規(guī)??蛇h(yuǎn)大于大氣層外的天基探測器。由于超高能量宇宙線數(shù)量稀少,這是唯一的觀測手段。
1954年,中國第一個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室在海拔3180米的云南東川落雪山建成。
1989年,在海拔4300米的西藏羊八井啟動了中日合作的宇宙線實(shí)驗(yàn);
2000年,啟動中意ARGO實(shí)驗(yàn)。
2009年,在北京香山科學(xué)會議上,曹臻研究員提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構(gòu)想。
LHAASO的主體工程于2017年開始建設(shè),2019年4月完成1/4的規(guī)模建設(shè)并投入科學(xué)運(yùn)行。
2020年1月,LHAASO完成了1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運(yùn)行,同年12月完成3/4規(guī)模并投入運(yùn)行。
2021年,LHAASO陣列將全部建成,成為國際領(lǐng)先的超高能伽馬探測裝置,投入長期運(yùn)行,從多個(gè)方面展開宇宙線起源的探索性研究。