新發現的光子能量，超乎你想象
文章來源於公衆號“科學大院”作者：柳若愚 楊睿智
無論是“嫦娥”奔赴月球，還是“祝融”登陸火星，都說明了現代國人擅長的事情之一，便是用科技的力量續寫古人的綺麗想象。而今日，一項發表在《Nature》上的重大成果，不僅能同古人對話，或將改變人類對銀河系的傳統認知。
這項成果，便是國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內發現了大量超高能宇宙線加速器，並且記錄到最高1.4拍電子伏伽馬光子（拍=千萬億）。或許你再次有了“每個字我都認識，放在一起就不知道在說什麼”的奇妙體驗，但不妨在瞭解何爲宇宙線的基礎上，同大院er一起了解這一成果的重大價值。
宇宙線是星際空間中的高能帶電粒子，於1912年由奧地利物理學家維克托·赫斯發現，後者也因此榮膺1936年的諾貝爾物理學獎。人們探測到的宇宙線粒子中約90%是質子，9%是氦原子核，更重的原子核及電子等其它粒子佔剩下的1%。
在銀河系的星際空間中，宇宙線貢獻了1/3的能量密度，是星際空間的重要組成部分，同時主導了星際化學和恆星形成等天體物理過程。因此，宇宙線的研究對於人類認識宇宙有重要意義。
宇宙線的能譜在拍電子伏(1拍=1千萬億)附近呈現一個拐折結構，這表明銀河系中存在着至少能把質子加速到拍電子伏的天體。對於目前的人類文明來說，拍電子伏是一個難以企及的能量，相比起來，目前地球上最大的人造粒子加速器（即歐洲核子研究中心的LHC）能夠加速粒子的極限能量僅爲0.01拍電子伏左右。這些宇宙線的起源天體相當於天然的粒子物理實驗室，找到這些天體並研究它們的特性不僅是人類認識理解宇宙的一個重要里程碑，也可能成爲突破當前基礎物理學框架的關鍵一步。
圖1. 1太電子伏特之上的宇宙線能譜，紅圈標出了1拍電子伏特附近的拐折（圖片來源：Blümer et al 2009, Prog. Part. Nucl. Phys.63293）
在宇宙線被發現一個多世紀後的今天，人類對於宇宙線的研究與認識有了巨大的進展，但對於銀河系中的拍電子伏宇宙線加速器的天體類型與位置卻一直沒有明確的答案。這是爲什麼呢？
主要難點有兩個：第一，宇宙中遍佈磁場，而帶電粒子在磁場中運動時會被磁場偏折運動方向。宇宙線從源到地球的傳播過程中已經失去源的位置信息，科學家們無法通過宇宙線粒子的到達方向直接定位源的位置。鑑於這種情況，科學家們轉而把目標變爲探測這些宇宙線與星際介質相互作用產生的光子。
第二，把粒子加速到拍電子伏的條件相當苛刻，即便天體具有很強的加速能力，也只有很小一部分粒子能成功達到如此之高的能量，因此產生的超高能光子的信號也非常弱。
讓我們來更詳細地看一下宇宙線與星際介質的相互作用過程：當一個拍電子伏的質子與源內或源周圍的物質產生碰撞時，它會損失一部分能量併產生兩個能量爲其10%左右的伽馬光子；而一個拍電子伏的電子也會通過與宇宙微波背景光的散射併產生一個幾百太電子伏的光子(1拍=1000太)。
由於光子的運動不會受磁場影響，探測到能量在0.1拍電子伏以上的光子（也稱爲超高能光子）的源便可定位拍電子伏粒子加速器。然而此前國際上主流探測器主要工作在0.1 拍電子伏能量以下，難以有效確認拍電子伏宇宙線加速器。
我國的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）是當前國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測器。它的工作能量從太電子伏一直延伸到拍電子伏，不僅具有一平方公里的超大有效探測面積，其配備的1188個繆子探測器還能夠把混在十萬個背景事件中的一個光子信號準確挑出。憑藉着強勁的性能，LHAASO僅靠其在1/2規模階段運行11個月收集到的數據，便一舉在銀河系內發現了12個超高能伽馬射線源！
這項里程碑式的新發現打開了超高能伽馬射線天文觀測的新窗口，使人類得以瞥見銀河系中的洶涌暗流。我們有理由相信，在未來幾年中，當完整的LHAASO投入使用後，很可能會發現銀河系中遍佈超高能伽馬射線源，這足以撼動人類對銀河系的傳統認知。
在這12個源當中，既包含了如蟹狀星雲、天鵝座恆星形成區等在伽馬射線天文領域著名的天體，也有此前從未發現過的新源。最令人吃驚的是，前兩者中最高的光子能量竟達到了1拍電子伏，大大刷新了人類探測到的光子最高能量的紀錄，也對這兩個天體的傳統理論解釋提出了嚴重的挑戰。
蟹狀星雲誕生於公元1054年的一次超新星爆發。在這喻示恆星毀滅的驚歎聲中，一顆強勁的脈衝星產生了。這顆脈衝星驅動的極端相對論性正負電子對風，在與超新星拋射物激烈的相互作用下，造就了強大的拍電子伏粒子加速器。
蟹狀星雲與中國其實頗有淵源，它的誕生過程最早由北宋的司天監記錄下來（《宋史·志·卷九》：“至和元年（1054）五月己丑，出天關東南可數寸，歲餘稍沒”）。這珍貴的歷史記錄使當代的天文學家得以確定蟹狀星雲的精確年齡並據此研究其演化及各種物理過程。如今，蟹狀星雲被稱爲“伽馬天文標準燭光”，對天文學的意義不言而喻。在其被中國古天文學家發現的一千年後，中國的探測器又一次開啓了人類對這個星雲的新認知。
圖2.（左）可見光波段觀測到的蟹狀星雲（圖片來源：NASA）（右）宋史中對產生蟹狀星雲的超新星爆發的記載（圖片來源：界面新聞）
天鵝座恆星形成區是銀河系在北天區最亮的區域，這裡聚集着大量的大質量恆星，總質量達到數萬倍太陽質量。大質量恆星具有強烈的星風，速度可達幾千公里每秒。在這樣相對狹小的空間裡，許多星風互相之間發生猛烈的碰撞，造成天鵝座恆星形成區複雜的強激波、強湍流的環境。
此外，大質量恆星的壽命只有百萬年量級，可以預期頻繁的超新星爆發，而後者產生的爆震波將進一步加劇該區域的激波與湍流過程，這使得天鵝座恆星形成區成爲理想的宇宙線加速場所。LHAASO在該區域發現了1.4拍電子伏的最高能量光子，預示着“拍電子伏粒子加速器”或許已不足以形容天鵝座恆星形成區作爲粒子加速器的強大。
圖3. 紅外波段的天鵝座恆星形成區
（圖片來源：NASA）
值得一提的是，LHAASO的強勁性能不僅體現在對超高能伽馬源的探測，還表現爲其對源的能譜的精確測量。LHAASO團隊分析了另外三個明亮源的能譜，發現光子數隨能量的分佈函數可以很好地用對數拋物線描述，這使得科學家們能夠對這些光子背後的輻射機制與粒子加速過程做出定量的判斷。
圖4. LHAASO測量到的三個超高能伽馬射線源的能譜，黑色實線是用對數拋物線對能譜的最佳擬合，擬合優度遠高於用冪率函數的擬合（黑色虛線），小圖是LHAASO對三個源的成像
作爲我國第三代高山宇宙線探測器，LHAASO承載着中國一代又一代科學家與工程師持之以恆的夢想與心血。自1954年中國第一代高山宇宙線探測器在雲南東川落雪山落成以來、經歷了位於西藏羊八井第二代探測器ASγ與ARGO-YBJ的沉澱後，（點擊此處瞭解有關ASγ的有用知識）中國在伽馬射線天文學領域躋身於世界前列，而LHAASO將在未來至少十年內引領這個領域的發展。當中國逐步在國際社會上展現出大國擔當的同時，我們也期待着今後中國能爲人類對宇宙的探索做出更多重要的貢獻。
圖5. 中國三代高山宇宙線探測器。（上）雲南東川落雪山宇宙線實驗站，海拔3180米；（中）西藏羊八井宇宙線觀測站ASγ和ARGO-YBJ，海拔4300米；（下）四川稻城海子山高海拔宇宙線觀測站LHAASO，海拔4410米，目前已基本建成（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）
作者單位：柳若愚：南京大學；
楊睿智：中國科學技術大學
（文中所有圖片均由作者提供）
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