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携百万亿“巨款”,在宇宙中漂流6500年,它们在中国被逮到了

时间:2019-07-11

转载自科普中国网

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”!

73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!

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      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 

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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。

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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。 

 
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