我国科学家发现宇宙最高能量光子,打破了人类对银河系的认知

钛媒体注:本文来自腾讯科技,作者丨乔辉,钛媒体经授权转载。

2021年5月17日,国际著名期刊《自然》杂志发表了我国科学家的一项重要成果:在银河系内发现了能量达1.4拍电子伏特的伽马光子,相当于可见光能量的千万亿倍!这是人类迄今为止探测到的最高能量的光子。

与此同时,科学家还观测到银河系内存在大量天然的 “超高能宇宙线加速器”。该发现改变了人类对银河系的传统认知,开启了“超高能伽马天文学”时代。

我国科学家发现宇宙最高能量光子,打破了人类对银河系的认知

图注:高能宇宙线轰击地球大气,产生的“空气簇射”现象(示意图)。

上面这段话,是否感觉每个字都认识,但读完之后还是觉得似懂非懂呢?不懂是正常现象。因为本来高能物理就是物理学皇冠上的明珠,是非常窄重的领域,再加上这又是一项最新的成果。我们在这里把物理名词一个个拆解一下,详细解读。

什么是1.4拍电子伏特伽马光子?

拍(P)是一个单位,代表10^15次方,也就是1千万亿。例如,目前硬盘的容量能够达到1T,1P等于1000T。

“电子伏特”是能量的单位,通常在微观领域使用,表示一个电子通过1伏特的电压所获得的能量。例如,当一个电子从一节1.5伏的干电池的负极运动到正极,就能获得1.5电子伏特的能量。我们周围,可见光的能量大约就是几个电子伏特。

能量的主单位是焦耳,1焦耳相当于625亿亿电子伏特。而你的手掌,在1秒内就能释放大约1焦耳能量。可见,在宏观领域,电子伏特是非常小的单位。

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图注:电磁波谱。

大家可能都听说过,光具有波粒二象性,在电磁波谱能量比较高的一端,光的粒子性比较显著,当光子的能量达到100千电子伏特以上时,人们就开始称其为伽马光子。通常,某些原子核的衰变能够产生伽马光子,例如能够治疗脑肿瘤的“伽马刀”,就是利用钴60释放的伽马射线杀死肿瘤细胞。

我们每年的例行体检中都会拍胸片,则是利用的比伽马光子能量低一些的X光子。

综上所述,也就是说,这次我国科学家利用新建的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)观测到了能量为1.4拍电子伏特的伽马光子,能量比普通的伽马光子要大几十亿倍。

发现这种拍电子伏特光子有什么意义吗?

理论上,单个光子的能量似乎没有上限,著名科幻小说《三体》中描绘说,宇宙中的超级文明通过释放“光粒”就能摧毁一颗恒星。

但现实中,来自宇宙中的高能光子的能量有一个较明确的上限,这个上限是由于宇宙中到处充斥着宇宙微波背景辐射的缘故。微波背景辐射无处不在,古老电视屏幕跳动的雪花中,大约有1%是由于微波背景辐射干扰的结果。

当高能光子遇到宇宙微波背景辐射中的这些低能光子时,就会发生碰撞消耗能量。理论上,当光子的能量达到拍电子伏特时,就无法继续升高了。也就是说,这次我国科学家触碰到了高能光子能量的实际上限,极限附近最容易发现新物理,当然意义重大了。

因此,该发现改变了人类对银河系的传统认知,也开启了“超高能伽马天文学”时代。

此外,超高能宇宙线的来源和产生机制一直困扰着高能天体物理学家。其实,宇宙中能量更高的射线是高能质子,人类早已探测到能量比这次“拍电子伏特光子”能量还高数万倍的高能质子,这种微观粒子的能量可相当于一枚飞行的棒球。

但质子是带电荷的,它们在宇宙中穿行的过程中会受到星际磁场的偏转,因此无法追溯其来源,也就无法研究其产生机制。高能光子则不一样,它们是不带电的,能够追溯其起源的地方,也就为研究超高能宇宙线的加速机制锁定了研究对象。

什么是“超高能宇宙线加速器”?

加速器就是提升带电粒子能量的装置,老式电视机显像管其实就是一种加速器,能够加速电子轰击屏幕发光。目前,世界上最大的欧洲大型强子对撞机(LHC)也是一种类型的加速器,能够把质子加速到99.999999%的光速,然后让两束这样的近光速粒子流发生迎头碰撞,产生大量次级粒子,观察其中发生的物理现象。

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图注:大型强子对撞机的加速管道。

我们知道,宇宙中到处都有高能粒子(射线),这些粒子的能量同样是靠某种天然的加速机产生,能够产生高能粒子的地方,就可看作宇宙天然加速器了。这些天然加速器的加速能力可了不得,这次发现的1.4拍电子伏特光子的能量相当于LHC中质子能量的几百倍。

这次,我国新建的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)除发现了这颗能量达1.4拍电子伏特的光子之外,还发现了12个“拍电子伏特超高能宇宙线加速器”,这表明银河系内普遍存在此种类型的天然加速器。

这些高能粒子的加速机制是什么呢?现有的高能粒子加速机制,已无法完美解释本次的新发现,亟需构建新的理论模型。

什么是高海拔宇宙线观测站?

高海拔宇宙线观测站(LHAASO,Large High Altitude Air Shower Observatory)是世界上海拔最高(4410米)、规模最大、灵敏度最强的宇宙线探测装置。

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图注:LHAASO远景图。(来源:高能物理所)。

高海拔宇宙线观测站位于中国四川省稻城县海子山,占地面积约1.36平方公里。其核心科学目标是:探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动,并寻找暗物质;广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源,并精确测量它们的能谱;揭示宇宙线加速和传播的规律,探索新物理前沿。

LHAASO采用什么原理探测宇宙线的?

我们知道,LHAASO虽然位于高海拔,但仍然处于大气中,当高能宇宙线来到地球后,首先要与大气层中的原子核发生碰撞,根据爱因斯坦的质能公式,能够产生次级粒子,次级粒子还会产生次级粒子,直到能量低于某个临界值时,次级粒子才停止产生。

这样,一颗高能粒子,就能产生N多次级粒子,这些次级粒子像阵雨一样洒向地面,洒向探测器,专业上称为“空气簇射”。

因此,探测器直接探测到的,实际上是这些次级粒子。通过测量这些次级粒子的性质,反推第一个高能粒子的性质。

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图注:高能粒子产生大气簇射,LHAASO各探测器对簇射的观测(示意图)来源:《自然》杂志。

那么,LHAASO采用什么方式探测的呢?LHAASO采用了四种探测器符合测量这些次级粒子。

1、电磁粒子探测器阵列:用于测量宇宙线空气簇射中的次级电磁粒子,对原初宇宙线的方向,芯位和能量进行重建。探测介质为塑料闪烁体,通过波长位移光纤收集带电粒子在闪烁体内产生的闪烁光,并传导到光电倍增管,转换为电信号进行测量。

2、缪子探测器(MD)阵列:用于测量宇宙线空气簇射中的缪子含量。基本构造是在结构体体内放置高反射率水袋,水袋内装超纯水,水袋顶部中心安装光电倍增管,收集进入水体的缪子在水中产生的切伦科夫光,转换为电信号进行测量。

3、水切伦科夫探测器阵列:通过观测广延空气簇射中的次级粒子在水中产生的切伦科夫光,达到在甚高能中低能段对整个北天区伽马源巡天观测的目的,经过数据分析,可以重建出原初伽马射线或宇宙线的到达方向、能量等参数等。

4、广角切伦科夫望远镜阵列:测量高能宇宙线或高能伽马射线通过簇射在大气中产生的切伦科夫光或荧光。借助望远镜独有的可移动特性,通过阶段性阵列布局调整,联合其他探测器,精确测量宇宙线成份能谱。

我国的宇宙线研究发展简史

我国的宇宙线实验研究经历了三个阶段,目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙线实验室。

高山实验能够充分利用大气作为探测介质,在地面进行观测,探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。由于超高能量宇宙线数量稀少,这是唯一的观测手段。

1954年,中国第一个高山宇宙线实验室在海拔3180米的云南东川落雪山建成。

1989年,在海拔4300米的西藏羊八井启动了中日合作的宇宙线实验;

2000年,启动中意ARGO实验。

2009年,在北京香山科学会议上,曹臻研究员提出在高海拔地区建设大型复合探测阵列“高海拔宇宙线观测站”的完整构想。

LHAASO的主体工程于2017年开始建设,2019年4月完成1/4的规模建设并投入科学运行。

2020年1月,LHAASO完成了1/2规模的建设并投入运行,同年12月完成3/4规模并投入运行。

2021年,LHAASO阵列将全部建成,成为国际领先的超高能伽马探测装置,投入长期运行,从多个方面展开宇宙线起源的探索性研究。

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