最强的宇宙伽马射线造访地球

国际宇宙射线天文台的——ASgamma实验阵列位于西藏羊八井海拔4300多米的雪原上。(信息图片)

上面的蟹状星云图片由不同太空望远镜拍摄的3张照片组成，展示了它复杂的细节。(照片来源：NANS)

西藏羊八井科技成果新闻发布会现场。

西藏羊八井是一个海拔4300多米的雪域高原，位于国际宇宙线观测站—— a伽马实验阵列中。在这里，神秘的“白色盒子”日复一日地静静地等待着，以便千里之外的“客人”可以随时来访。时间没有爱情深。最近，宇宙中已知能量最高的光子——伽马射线到达地球，并被神秘的“白盒”成功捕获，引起了人们的期待。

几天前，由中国科学院高能物理研究所和日本东京大学宇宙射线研究所共同主持的西藏羊八井的宇宙射线实验小组宣布，人类所知的来自宇宙的一些最高能量的光子——伽马射线已经到达地球，其能量超过100电子伏(电子伏：电子伏，一个能量单位，代表由一个被1伏特的电位差加速的电子所获得的动能)。TeV的意思是万亿电子伏特，1TeV是10到12电子伏特)，最大值为450电子伏特，比官方公布的世界最高能量高出五倍以上。相关论文已于《物理评论快报》被选为高知名度论文，并将于7月下旬在网上正式发布。这种神秘而未知的超高能光能量超越了地球，它从何而来，又有什么神秘之处？《经济日报》记者采访了实验组的相关专家。

来自外太空的宇宙线

1912年，奥地利物理学家维克多赫斯带着他的仪器乘热气球飞行了5300米。因为这个大胆而疯狂的实验，科学家发现了一种来自地球外部的“神秘力量”——宇宙射线，它像雨一样每天降落在地球上，密集而无声。

后来，科学家发现宇宙射线是来自太空的高能粒子流。但是是什么加速源使宇宙射线加速到如此高的能量并以接近光速到达地球呢？100多年后，宇宙射线的起源仍然是一个未解之谜。目前，科学界普遍认为银河系中主要有几个加速源，如超新星遗迹、黑洞、脉冲星云等。

这次观测到的“贵宾”来自著名的蟹状星云，经科学家分析确认。蟹状星云距离地球约6500光年，是金牛座的超新星遗迹。在望远镜中，这个星云是以一只水平爬行的螃蟹命名的。它因其在所有电磁波中的高亮度而备受关注。它的能量来源是位于其中的高速旋转脉冲星，即蟹状星云脉冲星。

早在公元1054年，北宋的天文学家就详细记录了一次超新星爆炸。科学家们这次发现的宇宙伽马射线来自蟹状星云——，这是超新星爆炸留下的残留物。

近年来，科学家们对蟹状星云进行了详细的观察和研究，从射电、光学、X射线到伽马射线，贯穿整个电磁波段。然而，随着光子能量的增加，蟹状星云中光子流的强度越来越低，数量越来越少，观测变得越来越困难。因此，新发现的超高能伽马射线甚至更有价值。

“通过监测超高能伽马射线并推断其加速能量来源，我们可以进一步了解宇宙物体的起源和演化。”南京大学天文与空间科学学院的陈阳教授说。

迄今最高能伽马射线

一般来说，绝大多数宇宙射线都是带电粒子，它们在银河系的磁场中传播时会发生偏转，因为它们的到达方向并不代表它们的加速源的真实位置。在这种情况下，为什么判断新发现的宇宙伽马射线来自著名的蟹状星云？

事实证明，到达地球表面的各种宇宙射线中，超过99%是带电粒子，但宇宙伽马射线是一种特殊的存在：伽马射线是电中性的，不会被磁场偏转，可以直接指向它们的产生源。有鉴于此，科学家决定通过观察中性粒子——的伽马射线来研究它的加速源，中性粒子——没有带电，也不会偏转。“超高能伽马射线是由高能带电粒子产生的。它的观测是研究高能带电粒子加速过程及其所处极端环境的一种独特方式，也是探索极端宇宙的重要探测器之一。”陈阳说。

然而，探测伽马射线也不容易。中国科学院高能物理研究所的研究员黄静认为，目前超高能伽马射线的强度太低，不到普通宇宙射线的1%，而且都淹没在宇宙射线的背景中。“然而，当超高能伽马射线穿过大气层时，它们将与大气层相互作用，产生空气簇射。随着大气深度的增加，阵雨将有一个发展和消亡的过程。”利用这一现象，科学家们在海拔4300多米的西藏羊八井地区建立了观测站。

“羊八井的高度和大气活动非常有利于宇宙线成分和能谱的测量，特别是100兆电子伏以上的超高能宇宙线。由于大气屏蔽效应在高海拔地区较小，更适合探测伽马射线产生的簇射，有利于捕获伽马射线。”黄静解释道。

此前，世界上探测到的最高能量伽马射线是75TeV，由德国切伦科夫望远镜的HEGRA实验小组观测到。一些物理理论认为伽马射线不能加速到100电子伏以上。经过几十年的不懈努力，这次中日合作的伽玛实验团队发现了24个100兆电子伏以上的伽玛射线案例，超过宇宙线本底标准偏差5.6倍。其中，最高能量为450电子伏。这一发现标志着人类对超高能伽马射线的天文观测首次进入100电子伏以上的观测能量范围。物理学家认为这一成就是“揭开宇宙射线起源之谜道路上的一个里程碑”。

“这些100电子伏特以上的伽马射线可能是高能电子和周围宇宙微波背景辐射的光子之间逆康普顿散射的结果。超高能电子和正电子产生于蟹状星云的脉冲星云中。正是这些超高能电子给了伽马射线能量，使这些伽马射线加速到100电子伏以上，到达地球并被我们的实验观察到。”由此，黄晶等人得出结论，蟹状星云是“银河系中天然的高能粒子加速器”。与世界上最大的人工电子加速器(加速电子的最大能量为0.2电子伏)相比，它的电子加速能力至少要高出一万倍。

“利器”升级助力科学发现

这一重大天文现象的发现在科学界引起了巨大反响。这一成就与30年来西藏羊八井ASgamma实验的坚持不懈密切相关。西藏羊八井的伽玛实验位于西藏羊八井地区，海拔4300多米。该阵列的第一阶段已经完成，并于1990年开始运行。经过几次升级后，在银河系宇宙射线的探索和研究中取得了一系列重大发现。

2014年，合作小组成员在现有的65000平方米宇宙射线表面探测阵列基础上增加了一个有效面积为3400平方米的地下muzishui cherenkov探测器。表面探测阵列主要用于探测宇宙射线空气发射的二次带电粒子。地下子水切伦科夫探测器阵列主要用于探测次级粒子中子的数量。结果，99.92%的宇宙射线背景噪声可以通过西藏羊八井的射线实验消除，从而获得超高能射线。西藏羊八井的伽玛实验是在新研制的埋于地下2.5米的新型探测器的作用下，在100电子伏以上的能量区成为世界上最灵敏的伽玛射线观测站，从而首次实现了100电子伏以上的伽玛射线观测。

科学探索的步伐并没有就此停止。黄静告诉记者，中国正在四川稻城建设一座大型高空宇宙射线观测站，其部分设备已经建成并投入运行。与ASgamma实验相比，LHAASO的能量范围和灵敏度高出一个数量级，这将把宇宙线物理和超高能射线天文学研究推向一个新的水平。

此外，在空间探索方面，该研究所正在牵头申请许娥国际合作重大科学项目“探索极端宇宙”。其综合性能将比现有的同类空间探测设备有很大提高。宇宙射线物理学和高能伽马射线天文学也是该计划的主要科学目标。“许娥和LHAASO将与国内外其他空间和山地观测站一起，在全天空、全时间域、多波段、多信使范围内对宇宙中的极端天体和过程进行立体观测研究。”黄静说道。(记者申会)