银河系内发现大量超高能宇宙加速器 开启“超高能伽马天文”观测时代

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日期:2021-05-19 17:11:04    来源:新华日报    

17日上午,中国科学院高能物理所与施普林格·自然集团(Springer Nature)举办联合发布会,公布了一项重大成果。国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器,并记录到能量达1.4拍电子伏的伽马光子(拍=千万亿),这是人类观测到的最高能量光子,突破了人类对银河系粒子加速的传统认知,开启了“超高能伽马天文学”的时代。

该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成,成果已于17日发表在《Nature》(《自然》)上。记者了解到,南京大学承担了论文理论分析与物理模型计算方面的重要任务,是这篇论文的通讯单位之一。

宇宙线无时无刻不在“轰击”地球

什么是宇宙线?此次突破对于宇宙探索有什么重要意义?南京大学天文与空间科学学院研究员柳若愚说,宇宙线是来自外太空的高能带电粒子,实际上它们无时无刻不在“轰击”着地球,但绝大部分都被地磁场以及大气层所屏蔽。“宇宙线的能量密度占了银河系星际介质总能量密度的1/3,对星系的演化、恒星与行星的形成都有重要的影响,甚至对地球上生命的演化进程也可能有作用。此外,有一部分宇宙线的能量远远超过了地球上最大粒子加速器能够达到的最高能量。它们起源于一些极端的物理过程或天文现象,通过研究它们以及它们的加速源,我们可以检验已知的物理规律在极端条件下是否还成立,并且有机会探索宇宙中新的物理规律。” 柳若愚表示,宇宙线不仅是宇宙的重要组成部分,也是我们认识、理解宇宙的一种重要信息载体。

人类从远古时代就开始观测宇宙了,那时用的就是我们的眼睛,“我们的眼睛接收的是可见光,如果光子能量用电子伏为单位,可见光光子的能量范围大概是在1到4电子伏之间,这是一个很窄的能量范围。” 柳若愚说,随着科技的发展,人类发明了各种望远镜和探测器,能够探测在其它能量范围的光子。此次LHAASO探测到最高光子能量为一千四百万亿电子伏,刷新了人类探测到的最高能量光子的纪录。

如何“捕捉”最高能量的光子

最高能量的光子是如何“捕捉”到的?必须归功于尚未建成的高海拔宇宙线观测站(LHAASO),它是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施,位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,占地面积约1.36平方公里,是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列(简称KM2A)、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。LHAASO采用这四种探测技术,可以全方位、多变量地测量宇宙线。

“即便是只有1/2的规模,LHAASO也是目前世界上最大的超高能伽马光子探测器,接收面积达到约43万平方米。” 柳若愚介绍,高海拔宇宙线观测站尚在建设中,但作为由很多探测器组成的大阵列,不用等整个阵列完成,安装好的探测器可以先进行观测,这次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置,在去年11个月的观测数据。此外LHAASO中配备了很多缪子探测器,能够从海量的背景噪音中准确挑出光子信号,这些是LHAASO强大性能的原因。

“关于LHAASO的工作方式,简单来说,当高能光子进入大气层后,会被大气吸收并产生出大量的次级粒子,通过测量到达地面的次级粒子,我们可以还原出初始光子的能量与到达方向。”柳若愚说。

开启“超高能伽马天文”观测时代

虽然这次使用的数据还很有限,但所有被LHAASO观测到的源,它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射,也叫“超高能伽马辐射”。这说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量必定接近或超过1拍电子伏,也意味着银河系内普遍存在着可将粒子能量加速到1拍电子伏的宇宙加速器。而人类在地球上建造的最大加速器(欧洲核子研究中心的LHC)只能将粒子加速到0.01拍电子伏。

银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”,过去预言的极限就在1拍电子伏附近,从而预言的伽马射线能谱在0.1拍电子伏附近会有“截断”现象,LHAASO的结果完全突破了这个“极限”。

这次最高能量的光子首次出现在天鹅座区域和蟹状星云,蟹状星云是天文学与天体物理学中一个非常重要的天体,诞生于公元1054年的一次超新星爆发。“此前科学家们也在不同能量段观测过蟹状星云,做了很多研究。这次LHAASO发现了它能辐射一千万亿电子伏的光子。蟹状星云中的伽马光子主要是由电子辐射的,这说明蟹状星云之中发生着非常极端的物理过程,在以逼近理论极限的加速效率把电子加速到至少一千万亿电子伏。这一点是很惊人的。”柳若愚表示,这些发现开启了 “超高能伽马天文”观测时代,表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体,有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。(记者 杨频萍)

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