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前方“高能”——“捕捉”宇宙最强伽马射线!

编辑:栗子

导语:这是人类可观测宇宙中最壮阔的现象!即便在通常沉寂而深邃的宇宙尺度看来,伽马暴依然明亮暴烈,宛如黑暗的宇宙中一闪而过的巨大的手电光束,仿佛要去贯穿整个时空。

最近,科学领域有一个轰动的消息:中日合作实验团队利用我国西藏羊八井ASgamma实验阵列发现迄今为止最高能量的宇宙伽玛射线,这些宇宙伽玛射线来自蟹状星云方向,能量高达450TeV(万亿电子伏特), 比此前国际上正式发表的75TeV的最高能量高出5倍以上,标志着超高能伽玛射线天文观测进入到100 TeV以上的观测能段。

为什么这个观测成果引起了全球关注?伽玛射线是什么?450万亿电子伏特是什么概念?西藏羊八井ASgamma实验阵列是如何进行观测的,为何能取得如此重大的成果?我们又为什么研究宇宙伽玛射线暴?

栗子在电视新闻上看到这则报道时,这些问题就萦绕在脑海里。想必,除了该领域的专业人士,大多数普通人会和栗子有同样的疑问。为了解答这些疑问,为了在简要的新闻报道之外,和大家一起真正理解这一观测研究成果,栗子采访了理论物理学博士于赫夫,让我们一起来看看于博士深入浅出的解读。

伽玛(gamma)射线,其实就是波长很短的电磁波(光子)。红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线本质上都是电磁波,只不过伽玛射线的波长最短,频率最高,单光子的能量最高。 

最初人们认为,这种“脾气最暴”的电磁波如果大范围产生,那只可能来自核武器。因此美国在上世纪60年代开始,用卫星接收伽玛射线信号来监视其他国家的核武器试验。然而该卫星对核试验的监视并没有什么收获,却发现了来自宇宙空间的高能伽玛粒子流,并从这时开始,引出了至今半个多世纪最活跃的宇宙学课题之一:伽玛暴宇宙学。 

伽玛暴(gamma ray burst),顾名思义是一种伽玛射线;而“暴”的意思,是指它持续的时间非常短,典型持续时间只有0.1秒至数十秒,能量暴发式释放。伽玛暴从发现和公开至今,其来源、产生机制和背后揭示的高能物理规律,引发了持续热烈的讨论。 

这种特殊的电磁射线来自很遥远的星系,其能量高,光子数量少(天体事件辐射出的粒子,其能量多数聚集在某一个值附近,能量比这个值高得越多,相应的粒子就越稀少),由于不带电荷而不受空间磁场的影响,因而有较好的准直性,可以指示人们其源头的位置。

这次事件中的伽玛射线源头:距离地球6500光年的蟹状星云(图片来自NASA)

换言之,伽玛暴是宇宙中光速飘荡的高能电磁波,稀疏地淹没在海量的星际射线中,谁能捕捉到它,谁就能“看”到其产生源头——深远宇宙空间中的信息 

高能伽玛射线很容易与其他物质发生反应而损失能量,因而科学家们最初认定遥远星系的高能电磁波很难到达地球,以为探测到的空间伽玛信号来自银河系内部。但随后的观测和计算表明,伽玛暴信号源与整个银河系的运动以及天体分布没有关联。这表明伽玛暴来自银河系外,是宇宙尺度的天文现象。再结合其极高的能量,科学家们才逐步认识到自己发现的现象尺度多么宏大,烈度多么壮阔。 

玛暴的产生机制要从其持续时间说起。不同持续时间的伽玛暴数目,并不是类似正态分布的,而是以2s为分水岭,伽玛暴的次数在零点几秒和几十秒处有两个峰值。这暗示伽玛暴有两钟产生机制。 

主流的研究结果是,时间大于2s的伽玛暴(平均暴发时间约为30s)一般来自超大质量星体末期的塌缩。超大质量恒星的晚年,可通过吸积星际物质触发简并态的核聚变反应;由于简并态物质不能及时地通过膨胀做功来释放能量和降温,因而核聚变反应会异常剧烈,最终将几乎所有反应能量暴发式释放,也就是大家常听说的超新星爆发。有些超新星由于自身和周围物质的特殊属性,形成高强喷流,喷流中的伽玛射线携带大量能量,跨越千万乃至百亿光年的浩瀚空间,从宇宙的另一头来到地球与人类“握手”。

      

持续时间小于2s的伽玛暴(平均每次暴发时间约为0.3s),一般认为来自大质量致密星体碰撞、融合瞬间释放的大量能量。这些星体可以是双中子星、双黑洞,或者中子星和黑洞;例如,现在人们非常关心的一种伽玛暴来源,是两个黑洞绕转合并形成新的更大的黑洞,合并瞬间释放引力波和伽玛暴喷流,喷流沿着双黑洞绕转的转轴方向,其能量相比长伽玛暴一般低两三个数量级。 

西藏羊八井Asgamma实验阵列发现的450TeV伽玛信号,是非常前沿的重大发现,该工作会很快在物理学最顶级刊物之一《物理评论快报(Physical Review Letters)》发表。至于此次伽玛暴的具体发生机制,还需要研究组公布更详细的信息以及进一步探究。目前可知的是,本次观测得到的信号来自蟹状星云方向,蟹状星云是超新星遗迹,其内部存在高能的、可以加速光子的电子,因而有观点认为本次450TeV伽玛暴可能来自蟹状星云高能电子对光子的加速效应。

西藏ASgamma实验观测到蟹状星云方向100TeV以上的伽玛射线(图片来自中科院高能物理研究所官网)

1电子伏特(eV),被定义成一个电子经过1伏特电势差加速之后得到的动能,是高能物理的常用单位。简单的单位换算后会发现,这个单位在数值上貌似比焦耳小很多(小大概19个数量级);但应注意,使用电子伏特是从微观角度看待问题,一个生活中若干焦耳的发热过程往往加热了好几摩尔的粒子,每个粒子得到的能量用焦耳来表示是非常微小的,用电子伏特做单一粒子的能量单位则正合适。在地球上,正常室温的大气的粒子平均能量约为0.026eV,厨房做饭火焰中的粒子平均能量接近1eV,核爆炸中粒子的能量则多为数百至数万电子伏特。因此我们能体会到,电子伏特其实是个挺“大”的单位,若干电子伏特对应的宏观反应就已经剧烈到人类难以承受了。 

为了理解羊八井Asgamma阵列探测到的百万亿级电子伏特的能量,我们把视野从地球转向空间:太阳稳定燃烧对应的单粒子能量约为数千电子伏特,而百万亿级电子伏特的暴发现象,则需要太阳燃烧约百亿年的能量(注意,这个时间已经接近宇宙年龄的数量级),或整个银河系数百年辐射能量,在几十秒内瞬间暴发。 

因而可以想见,这是人类可观测宇宙中最壮阔的现象!即便在通常沉寂而深邃的宇宙尺度看来,伽玛暴依然明亮暴烈,宛如黑暗的宇宙中一闪而过的巨大的手电光束,仿佛要去贯穿整个时空

 

西藏羊八井Asgamma实验表面阵列(图片来自中科院高能物理研究所官网) 

 

高能伽玛暴既是有待揭示科学本质的重要自然现象,又是其他重大宇宙学和基础物理学问题的研究工具和“实验平台”。 

科学的基础是实验。而有一类问题非常特殊,例如天文学、宇宙学和引力理论的很多问题,实验所需能量的总量和烈度过大,实验平台的尺度过大,实验器材无法制备,实验客体无法被直接操作,人们研究这类问题就不能完全靠人力搭建实验平台,而需要把宇宙本身作为实验室使用,把宇宙现象中发射的高能粒子、电磁波和引力波等信号作为研究数据 

伽玛射线暴具有极高能量,能为人类研究极高能标下的物理提供非常宝贵的工具;且伽玛射线不带电荷,不会在空间磁场中偏转,因而可以很好地指示人们伽玛暴源头的位置,便于后续探测伽玛暴余辉。 

要知道,人类为了进行能量比伽玛暴小若干数量级的高能粒子实验,需要耗资数十甚至上百亿美元,且每增加一个实验能标的数量级,都要克服巨大困难,耗费更大的财力、人力和统筹时间。所以载有宝贵的宇宙深处高能信息的伽玛暴的信号,简直测到就是赚到。

 

西藏羊八井ASgamma实验阵列的探测器单元(图片来自新华社/普布扎西摄

高能伽玛射线会与大气发生相互作用,反应产生的次级高能粒子会继续与大气反应,多级反应最终产生的粒子,以伞状层层向下,覆盖宽度可达数公里,这就是高能粒子轰击大气产生的簇射现象。

 

宇宙射线进入大气后产生空气簇射的示意图(图片来自中科院高能物理研究所官网)

为了规避大气对空间伽玛信号的阻碍和干扰,一大类观测实验被放在空间卫星上,让伽玛射线在进入大气前就被观测到。这类太空望远镜的优点是不受大气干扰,巡天快,得到信号之后可以迅速指向重点区域深入观测,并指示其他项目做多波段多信使探测。美国NASA主持的费米伽玛射线太空望远镜(GLAST)就是很典型的空间伽玛射线观测项目,其高灵敏、高精度、快巡天的特点,为伽玛暴宇宙学的发展立下了功勋。 

但是大气外的空间观测必须依托卫星或者空间站,硬件上存在上限,想进一步提高灵敏度和空间精度,需要克服极大难度。另一个思路是把实验平台建设在地球表面,理论上就不存在空间对硬件的限制。这类观测项目一般把多个较小的观测仪器,用阵列的方式覆盖一大片(数万至数百万平方米)空气纯净的高原区域。

阵列望远镜并不直接观测空间粒子,而是接收空间粒子与大气产生的次级产物,通过次级粒子的种类、能量和簇射分布特点,重建最初的轰击大气的空间粒子的种类和能量,这就完成了一次观测。大气簇射一般在海拔四千米左右达到最大范围,之后逐渐衰减,到达普通平原地区时信号已经比较微弱。而西藏羊八井恰好处在四千三百米的海拔高度,在这里建设伽玛射线探测设施是非常适宜的。西藏羊八井ASgamma实验自上世纪90年代一期建成并运行后,取得了一系列重大成果。

西藏羊八井ASgamma实验阵列航拍图(图片来自新华社/晋美多吉摄

地面观测存在两个难点:一是空间粒子在大气中产生的簇射粒子数目非常庞大,需要大量计算才能得到想要的粒子信息;二是不同的宇宙粒子与大气作用产生的簇射粒子,可能在种类上有重叠,因而需要大量工作才能从海量簇射信息中找出想要的空间粒子。 

西藏羊八井ASgamma阵列观测项目,是一个较为特殊的阵列望远镜。它在地面上布置闪烁阵列,用来探测伽玛射线轰击大气产生的带电粒子。但是其他宇宙高能粒子,例如质子,也会与大气反应产生带电粒子,这就为观测带来了海量的干扰信号,非常影响实验灵敏度。 

2014年,该阵列项目在地下新增了一批传感器,用来探测大气簇射中一种不带电的粒子。由于质子带电,伽玛射线(光子)不带电,地上地下的阵列一起就可以把质子产生干扰直接剔除,这大大增加了有效信号,让ASgamma的灵敏度达到当前世界最顶级水平。

西藏羊八井Asgamma实验地下探测器(图片来自中科院高能物理研究所官网) 

水到渠成地,羊八井发现了越来越多的高能伽玛暴,并在近日一举捕捉到难以想象的450TeV信号。在短时间内多次打破人类观测伽玛暴能量的最大值,这是人类实验技术的壮举,也为我们揭开了大自然的又一层面纱:

曾被某些理论断言不可能存在的、曾经稀少且被淹没在噪声中无法捕捉的、曾经被多个基础理论和学科需要而求之不得的,甚高能宇宙伽玛射线,如今真真切切地摆在人类眼前,摆在羊八井风化的乱石戈壁中,人类或许将面临一次宇宙科学乃至宇宙观点的革新  

羊八井也并不是终点。结合羊八井项目的经验,我国正在四川的高山建设新的伽玛射线阵列探测项目,其捕获伽玛射线的灵敏度相比羊八井将成数量级地提高。这将与在建(或在规划)的其他国际探测项目一起,组成未来人类更“明亮”的眼睛,注视向更深、更深的宇宙。

 

 

本文采访专家:于赫夫,理论物理学博士,长春工程学院讲师。原创内容,转载请注明出处和作者。

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  “啊呜啊呜……知识和美食一样好吃,你要不要也来点?”
  领域:地理,环保,科幻,美食
  描述:S学园三年级,个子小小的完全没有学姐的样子,但是头脑非常聪明。是个吃货,又运动万能,吃不胖的典范。

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