高能預警！科學家發現迄今最強宇宙伽瑪射線

在中國西藏，海拔4300米的羊八井鎮，坐落著一個國際宇宙線觀測站。從地面看，這個觀測站就好像一隊隊排列整齊的「高原哨兵」。它們在這裡日夜站崗，長達數十年，默默守候著造訪地球的宇宙線。

中國西藏的羊八井ASγ實驗陣列。圖片來源：高能物理研究所

就在近期，這個「高原陣隊」取得了一項世界紀錄級的成果——它捕獲了迄今為止人類已知最高能量的宇宙伽瑪射線輻射，能量高達450 TeV（4.5×1014電子伏特），是此前觀測到的最高能量（75TeV）的五倍以上。

這一成果，是由中科院高能物理研究所和日本東京大學宇宙線研究所共同合作，歷經三十年的不懈堅持和探索，最終克服難關取得的新突破。

研究一經公布立即引起了國際媒體的廣泛關注，相關論文目前已經被物理學頂級期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）推選為高亮點論文，將在7月下旬正式發表。

「高能預警」來自何方？

這次的高能射線是從哪裡來的呢？科學家們通過分析確認這些宇宙伽瑪射線輻射來自大名鼎鼎的蟹狀星雲。蟹狀星雲距離地球6500光年左右，是位於金牛座的超新星遺迹。

成名已久的「蟹狀星雲」，宛如盛開在宇宙中的璀璨煙花。圖片來源：NASA

判斷宇宙線的來源，需要依賴不帶電的光子。原理很簡單：帶電粒子會在銀河系的磁場中發生偏轉，很可能繞了幾道彎才來到地球，就無法判斷它們出發的地點。而類似中微子、伽瑪射線等光子是不帶電的，它們不會受到磁場的影響，基本沿著直線前進，因此能夠指引人們找到它們真實的源頭。

這次的測得的伽瑪輻射所指的方向，正是蟹狀星雲的所在位置。

西藏ASγ實驗觀測到的最高能量伽瑪射線(450TeV)的空氣簇射在探測器上產生的密度分布，箭頭所指的前端表示空氣簇射的中心，箭頭的方向表示到來的空氣簇射（也就是伽瑪輻射）的方向。圖片來源：高能物理研究所

除了確認粒子來源，研究超高能伽瑪射線還有更重要的意義。這些極端粒子是探索極端宇宙的重要探針之一，了解伽瑪光子所能達到的最高能量以及這些超高能光子能量的分布，研究產生超高能伽瑪射線光子的各種可能天體，有助於揭示宇宙中極端天體的性質，以及其中的極端天體物理過程和規律。

而對於蟹狀星雲來說，由於它在全電磁波段均具有較高的亮度，科學家已經從射電、光學、X射線直至伽瑪射線的整個電磁波段對它進行了詳細地觀測和研究。但是，對於超高能光子的觀測，就沒有那麼容易了。

能量越高觀測越難

為什麼能量越高的宇宙線粒子越難觀測？原因在於宇宙線能譜是負冪律譜，宇宙線粒子的流強會隨能量的增加而急劇下降。對低能段的宇宙線（能量低於100TeV），主要依靠衛星實驗和高空氣球實驗進行直接探測。對高能段的宇宙線，流強小到每平方米每秒大約只有一個粒子，已經無法利用衛星和高空氣球直接探測，因而要藉助地面設備進行間接探測。

那麼，如何進行間接探測？我們需要換一種思路。雖然人們沒辦法直接捕捉這些粒子，但是這些粒子在進入地球大氣後，會與高空大氣中的氧原子核和氮原子核發生相互作用，進而產生次級粒子，次級粒子中能量高的粒子繼續發生反應產生更多的次級粒子，次級粒子再產生更多的粒子，這樣的連鎖反應就是「廣延大氣簇射」（Extensive Air Shower，EAS）。

原初宇宙線進入地球大氣後，與大氣中的原子核發生相互作用產生空氣簇射的示意圖。圖片來源：高能物理研究所

原初宇宙線粒子通過廣延大氣簇射過程後，高能量的粒子轉化為能量較低的粒子，雖然能量降低，但粒子總數顯著增加。如此一來，人們通過分析原始宇宙射線與大氣的作用，就可以來反推原始宇宙射線的性質。

間接探測方式主要有大氣成像契倫科夫望遠鏡和廣延大氣簇射陣列探測器（EAS陣列）。此前，國際上探測到的最高能量的伽瑪射線為75TeV，就是德國的HEGRA切倫科夫望遠鏡實驗組觀測到的。而這一次，中日合作ASγ實驗團隊發現超高能伽瑪射線事例，靠的是西藏羊八井的EAS陣列與地下水切倫科夫探測器的強強組合。

「高原陣列」為何如此敏銳？

西藏羊八井位於東經90.53°北緯30.11°，海拔4300米的羊八井鎮。ASγ實驗於1990年一期陣列建成並開始運行，後來經歷了多次升級改造。

之所以在選擇在這樣一個高海拔的地點「排兵布陣」，是由於它處在宇宙線簇射縱向發展的平均極大處，能夠對赤緯-10°至 70°的許多北天區著名的源（如蟹狀星雲）進行連續而有效的觀測，適合開展許多有物理意義的宇宙線課題的研究。自運行以來，羊八井ASγ實驗陣列已經在銀河系宇宙線的探測研究方面做出了一系列重大發現。

中國西藏羊八井ASγ實驗（左圖：ASγ表面陣列；右圖：地下水切倫科夫探測器）圖片來源：高能物理研究所

2014年，合作組成員在現有65000平方米宇宙線表面探測陣列下，又新增加了有效面積4200平方米的地下繆子水切倫科夫探測器。利用這種地下繆子水切倫科夫探測器的數據，能夠剔除99.92%的宇宙線背景雜訊，在眾多宇宙線中捕捉到稀有的超高能伽瑪射線源。

地下繆子探測器，能準確測量宇宙線空氣簇射次級粒子中所含繆子數目，甄別該事例是伽瑪光子事例還是非伽瑪光子事例。圖片來源：高能物理研究所

通過這樣的技術，可以讓羊八井ASγ實驗排除99.92%的非伽瑪光子宇宙線事例，從而顯著降低它們對高能伽瑪光子探測的影響，實現了在 20TeV以上能區的國際最高的伽瑪射線探測靈敏度。

合作組正是憑藉地下水切倫科夫繆子探測器，使得西藏羊八井ASγ實驗成為100TeV以上能區國際上最靈敏的伽瑪射線天文台。在這次的研究中，它幫助科學家們在3年間陸續探測到了來自蟹狀星雲方向的24個高度可靠的100 TeV以上的伽瑪射線事例。

這標誌著超高能伽瑪射線天文觀測進入到100 TeV以上的觀測能段，打開了探索極端宇宙問題的新窗口，後續的運行還有望發現更多的超高能伽瑪射線源。

啟示與未來

研究人員認為，這些100TeV以上的高能光子可能是更高能量的電子與周圍宇宙微波背景輻射光子發生「逆康普頓散射」的結果，而超高能電子、正電子則在蟹狀星雲的脈衝星風雲中產生。由此可以推斷，「蟹狀星雲」是銀河系內「天然的高能粒子加速器」，與目前世界上最大的人工電子加速器（加速電子最高能量0.2TeV）相比，「蟹狀星雲」的電子加速能力至少高了上萬倍。

西藏ASγ實驗觀測到蟹狀星雲方向100TeV以上的伽瑪射線，×標記的地方是蟹狀星雲脈衝星所在的位置。圖片來源：高能物理研究所

作為西藏羊八井ASγ實驗的後續項目，中國正在四川稻城建設大面積高海拔宇宙線觀測站LHAASO，其部分設備已經建成並投入觀測運行。和ASγ實驗相比，LHAASO的能量範圍和靈敏度要高一個數量級以上，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。

此外，在空間探測方面，高能所物理所正在牽頭申請「探索極端宇宙」EXU國際合作大科學計劃，其綜合性能比現有的同類空間探測設備將有大幅度的提升，宇宙線物理和高能伽馬射線天文也是該計劃的主要科學目標。

EXU和LHAASO以及國內外的其他空間和高山天文台相結合，將對宇宙極端天體和過程開展全面立體的觀測研究，未來也將取得更加令人矚目的成果，為人們揭開更多的宇宙未解之謎。

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