出品：科普中國

　　制作：覃拈（武漢大學物理學博士）

　　監(jiān)制：中國科學院計算機網絡信息中心

　　近日，位于中國西藏的ASγ實驗觀測到迄今為止最高能量的宇宙伽馬射線，最高能量接近1 PeV(1000萬億電子伏特)，這是國際上首次發(fā)現拍電子伏特宇宙線加速器（PeVatron）在銀河系中存在的證據。該成果被國際同行稱為解開高能宇宙線起源“世紀之謎”的里程碑。

　　圖1：圖中的霧狀結構是銀河系銀盤的星際分子，黃色點是超高能伽馬射線的分布，陰影部分是西藏觀測站的觀測盲區(qū)。圖源：ASγ實驗

　　冷戰(zhàn)的美蘇雙方，聯手開啟伽馬射線天文學

　　冷戰(zhàn)時期，美國和蘇聯簽訂了禁止部分核試驗的條約。為了監(jiān)視蘇聯方面對條約的執(zhí)行情況，美國專門發(fā)射了一系列名叫Vela的偵察衛(wèi)星，這種衛(wèi)星上裝有監(jiān)測伽馬射線的探測儀器。

　　如果地球上有人進行核爆炸試驗，試驗將產生大量的伽馬射線，Vela衛(wèi)星可以探測到這種高能射線，幫助定位試驗在地球上的發(fā)生地點。

　　1967年，Vela衛(wèi)星多次探測到伽馬射線的突然增強，隨即又快速減弱。這種來無影去無蹤的發(fā)現讓美國人嚇了一跳，難道蘇聯人在如此密集地進行核試驗？進一步檢查發(fā)現，伽馬射線的爆發(fā)現象是隨機發(fā)生的，大約每天發(fā)生一到兩次，強度可以超過全天伽馬射線的總和。這種爆發(fā)的來源不是地球，而是宇宙空間。

　　來自冷戰(zhàn)背景的軍事偵察衛(wèi)星，沒有監(jiān)測到核試驗的伽馬射線，反而很意外地發(fā)現了來自宇宙的伽馬射線。

　　美國Vela衛(wèi)星的發(fā)現，隨后還被蘇聯的Konus衛(wèi)星證實。歷史就是這么有趣，冷戰(zhàn)的美蘇雙方，聯手開啟了伽馬射線天文學。對宇宙伽馬射線的研究，如今已成為最為炙手可熱的研究領域之一。

　　宇宙中最亮的仔

　　我們在初中物理學過牛頓的三棱鏡色散實驗：一束白光經過三棱鏡會分成赤、橙、黃、綠、青、藍、紫的七色光，不同顏色的光具有不同的頻率，波長和能量也不同，它們都是可見光，能被人類的眼睛看到。

　　圖2：三棱鏡色散實驗 圖源：維基百科

　　伽馬射線本質上也是一種光，但是肉眼不可見。它的波長非常短，能量特別高，比普通可見光的能量高成千上萬倍。作為對比，能被人類看到的可見光里面，紫光的能量最高，能量大約3 eV（電子伏特）左右。伽馬射線的能量卻在10000 eV以上，而且上不封頂。伽馬射線雖然肉眼看不見，但離我們的日常生活卻并不遠。比如地鐵和火車站的安檢設備使用的X光機，其實就是利用了能量較低的“軟”伽馬射線，這種伽馬射線是人造的。

　　在浩瀚的宇宙中，天體活動能夠自然產生能量極高的“硬”伽馬射線，成為天然的宇宙線加速器。當天體的活動非常劇烈時，可以在短時間內爆發(fā)出非常多的伽馬射線，就像大暴雨一樣，因此，科學家把這種現象稱為“伽馬射線暴”。

　　宇宙伽馬射線的能量極高，到底有多高呢？日常生活中，我們肉眼看到的最亮天體是太陽，而天體爆發(fā)輻射出的伽馬射線總能量比太陽還高得多。能夠在很短的時間內，比如幾分鐘甚至幾秒鐘之中，釋放巨大的能量，這相當于太陽在幾十億年壽命中釋放的能量總和。在伽馬射線暴面前，太陽就是個小朋友，完全不可與之相提并論。

　　實際上，宇宙中的超高能伽馬射線的明亮程度可以媲美整個宇宙，是宇宙中當之無愧“最靚（亮）的仔”。

　　圖3：伽馬射線暴示意圖，伽馬射線的束流從天體的兩頭射出 圖源：NASA

　　如何探測伽馬射線？

　　高能宇宙伽馬射線從太空射向地球的過程中需要穿過大氣，這時它們與大氣中的原子核發(fā)生相互作用，會撞出各種各樣的新粒子。這些粒子在飛行過程中會再次與大氣的原子核發(fā)生作用產生更多的粒子，像暴雨一樣從空中灑向大地，如此“一生二，二生三”地不斷發(fā)生反應產生新粒子，仿佛一顆大雨滴往下飛行的過程中散落成千千萬萬簇的小雨滴，科學家把這些小雨滴叫做“簇射”。

　　圖4：地面的探測器陣列對來自太空的宇宙射線“簇射”進行測量

　　圖源：ASγ實驗

　　科學家通過探測這些到達地球表面的“小雨滴”來間接地研究宇宙射線。高能量宇宙伽馬射線形成的“小雨滴”簇射范圍非常大，簇射產生的大量次級帶電粒子幾乎同時到達地面。測量這些同時到達的帶電粒子就可以獲得“簇射”事例。這些簇射到達地表時的面積往往很大，約有幾百、幾千，甚至上萬平方米的面積。一般來說，越高能量的宇宙射線到達地表的簇射面積就越大。

　　問題來了，這些“小雨滴”到達地面的分布范圍太大，遠遠大于人類所能建造的單個探測器，像FAST那樣的中國天眼也無法覆蓋這樣的范圍。那怎么辦？科學家們想出了辦法：使用“探測器陣列”，把幾十上百個小探測器按照一定幾何分布排列在地面，組成一個超級大的探測器方陣。

　　可以想象，這樣的大型陣列往往需要建在平地上。同時，為了防止宇宙伽馬射線產生的“小雨滴”被空氣吸收，探測器陣列往往選擇高原作為建設地點，利用稀薄的大氣層讓探測器探測到更多粒子。

　　依托此種思路，我國ASγ實驗的宇宙線觀測站就建在西藏羊八井，羊八井的海拔在4300米，有效利用了當地高海拔大氣稀薄的優(yōu)勢。

　　圖5：西藏羊八井宇宙線觀測站 圖源：ASγ實驗

　　羊八井宇宙線觀測站的表面陣列面積分布達到65000平方米，2014年還創(chuàng)造性地增設了面積3400平方米的地下μ子水切倫科夫探測陣列，用于探測宇宙線與地球大氣作用產生的μ子。

　　ASγ實驗通過綜合利用地面和地下探測器陣列的數據，將100TeV以上的宇宙線背景噪聲壓低到百萬分之一，從而極大地提高了伽馬射線探測的靈敏度，成為世界上對超高能伽馬射線最靈敏的探測器陣列。

　　這是ASγ實驗近年來連續(xù)取得系列重大發(fā)現的關鍵技術基礎。

　　研究高能宇宙線起源“世紀之謎”的里程碑

　　ASγ實驗團隊由中日科學家聯合組成，這次，他們宣布發(fā)現了957 TeV能量的超高能伽馬射線，能量接近1 PeV（1000萬億電子伏特，1后面跟15個零），這是國際上首次發(fā)現拍電子伏特宇宙線加速器（PeVatron）在銀河系中存在的證據。

　　該結果被美國物理學會評論為研究高能宇宙線起源“世紀之謎”的里程碑。

　　圖6：不同能量伽馬射線的分布區(qū)域 圖源：ASγ實驗

　　羊八井宇宙線觀測站實際觀測到多個幾百TeV的伽馬射線，這些伽馬射線中，最高能量的一個信號接近1 PeV。由于伽馬射線不帶電，在宇宙中電磁環(huán)境下不會發(fā)生偏轉，利用這個性質可以確定伽馬射線的來源。

　　通過分析這些伽馬射線在天空中的來向，再將其與銀河系銀盤的方位進行對比發(fā)現，它們彌散在銀盤上，這與銀河系中星系氣體的分布范圍類似，說明這些超高能伽馬射線來自于銀河系內部，而不是銀河系之外。

　　對于超高能宇宙伽馬射線的起源問題，有一種觀點認為它們來自于PeV能量宇宙線和銀河系分子云的碰撞（強子起源說）；另一種觀點認為它們可能來自脈沖星發(fā)射的相對論性電子產生的韌致輻射和低能光子發(fā)生的逆康普頓散射（輕子起源說）。

　　科學家通過這次實驗觀察到的能譜特征和角分布，確認超高能宇宙射線更支持強子起源說，也就是說，這些伽馬射線是宇宙線和星際氣體發(fā)生強子相關的相互作用而產生的。這個發(fā)現大大提高了人們對超高能伽馬射線的認識。

　　僅僅在一個月之前，ASγ實驗團隊還宣布了另一個發(fā)現，距地球2600光年的超新星遺跡 SNR G106.3+2.7發(fā)射出了超過100 TeV的伽馬射線，在國際上首次發(fā)現超高能宇宙線加速候選天體。

　　依靠超高靈敏度的西藏羊八井宇宙觀測站，ASγ實驗團隊在不斷創(chuàng)造，又不斷超越自己的觀測紀錄。

　　此外，我國正在四川稻城建造“大面積高海拔宇宙線觀測站”（LHAASO），其四分之三陣列已經建成并投入觀測運行。和ASγ實驗相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度更上一層樓，在國際上傲視群雄，相信將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進到一個新的高度。

　　參考文獻:

　　[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] 科學網.西藏羊八井實驗發(fā)現超高能宇宙線加速候選天體.http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/3/453722.shtm

　　[4] 高能所. 西藏 ASγ 實驗首次發(fā)現 PeV 能量宇宙線源存在于銀河系的證據.http://www.ihep.ac.cn/xwdt/gnxw/2021/202103/t20210331_5987922.html

　　[5] 中國科普博覽. 中國科學家發(fā)現迄今最高能量宇宙伽瑪射線，有什么重要意義？https://www.zhihu.com/question/333072948/answer/742322496

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