为什么宇宙有伽马射线（科学家发现最高能量宇宙伽马射线）

出品：科普中国

制作：鱼长弓（北京航空航天大学物理系）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

近日，中日合作西藏ASgamma实验团队利用我国西藏羊八井ASgamma实验阵列发现能量高达450TeV的宇宙伽马射线，这是迄今为止最高能量的宇宙伽马射线。这一发现成为国内外媒体关注的焦点。此次中日联合团队发现了24个100 TeV以上的伽玛射线事例，超出宇宙线背景5.6倍标准偏差，其中能量最高的约为450 TeV。这标志着伽马射线天文观测进入到100TeV以上的能段，对于探究天体的物理过程和规律具有重要意义。

那么什么是高能宇宙射线？高能伽马射线是如何产生的？科学家又是如何观测到它的？为什么高能宇宙伽马射线的发现备受关注？这篇文章将为大家一一道来。

无处不在的宇宙射线

△图1 左：地磁场阻挡来自太阳宇宙射线的示意图 右：Vector Hess在进行高空气球实验

宇宙射线是来自外太空的高能粒子，宇宙射线成分复杂。大约89%的宇宙射线是单纯的质子，10%是氦原子核（即α粒子），还有1%是重元素。伽马射线是宇宙射线的一种，但在其中只占极小的一部分。宇宙射线可大致分为两类：原生宇宙射线和衍生宇宙射线。原生宇宙射线是由宇宙射线源产生，然后成功逃逸到宇宙空间且未与星际物质发生相互作用的粒子流；衍生宇宙射线指的是原生宇宙射线和星际物质作用后产生的各种粒子。

宇宙射线几乎无处不在，影响宇宙射线剂量的主要因素有海拔、纬度、屏蔽等因素。海拔越高、纬度越大，辐射越强。宇宙射线的发现可以追溯到一百多年前。1912年，奥地利物理学家Vector Hess在高空热气球实验中首次发现了宇宙射线。自发现至今，人们研究了宇宙射线的成分、能量分布等性质以及随空间、时间的变化规律。宇宙射线已经发展成为一门独立的学科。但宇宙射线在何处产生？是什么把它加速到如此高的能量？这些依然是宇宙射线物理的核心问题。

千里迢迢"赶"到地球的高能宇宙伽马射线

△图2 左：欧洲大型强子对撞机 右：蟹状星云

想必大家都听过粒子加速器，加速器是一种能使带电粒子能量增加的科学装置。目前世界上最大的粒子加速器是位于日内瓦近郊的欧洲大型强子对撞机。这台设备可以将质子加速到6.5TeV（万亿电子伏特），要知道可见光的能量只有几个电子伏特。而此次西藏羊八井ASgamma实验平台探测到的伽马光子能量在100TeV以上。宇宙加速器远远超过了人类最先进的机器。

西藏羊八井探测到的高能伽马射线来自于蟹状星云。蟹状星云位于金牛座，距离地球大约6500光年，是公元1054年一次明亮的超新星爆发的残骸。在蟹状星云中，最初的爆炸为加速创造了条件。研究人员认为，蟹状星云中高速旋转的脉冲星能够产生超高能量电子（能量来源于磁场），这些电子与周围宇宙微波背景辐射发生"逆康普顿散射"，就会产生100TeV以上的高能伽马射线。伽马射线向外发射，最终到达地球上被探测器探测到。可以推断出，蟹状星云就是"银河系内天然的高能粒子加速器"。

怎么才能"看见"宇宙伽马射线

△图3 左：广延大气簇射 右：西藏ASgamma实验探测器示意图，白色小方块为表面探测器阵列，彩色部分为地下缪子水切伦科夫探测器

仅凭肉眼是无法观察到伽马射线的。那要如何才能"看见"它们呢？答案是必须借助探测器才可以。高能的原生宇宙射线进入地球大气后，会在10到15公里的高空和大气中的介质（主要是氧原子核和氮原子核）发生相互作用产生次级粒子、次级粒子继续反应产生更多的粒子，这就是"广延大气簇射"。以广延大气簇射为基础，人们发展了地面阵列探测技术。

西藏羊八井ASgamma实验阵列主要分为地上地下两个部分。地上表面探测阵列使用了近600个闪烁体探测器，分布在65000平方米的区域内（约为150个篮球场的面积）；而地下部分则是有效面积为4200平方米的缪子水切伦科夫探测器。表面探测阵列的优势在于视场大，可以进行全天候、大天区的观测。它能够记录次级粒子到达探测器的时间信息、粒子的密度分布和粒子的电荷等信息，从而重建出原生宇宙射线的方向、能量以及成分。

我们在前面的文章中提到过，在宇宙射线中，伽马射线所占的比例极小，其他的粒子与大气中的介质反应也会产生次级粒子，这些次级粒子会对探测伽马射线产生干扰。地下缪子水切伦科夫探测器就是为了去除这些干扰。羊八井实验平台所使用的地下缪子水切伦科夫探测器能够剔除99.92%的干扰。也正是地下缪子水切伦科夫探测器的存在，使得西藏羊八井ASgamma实验平台成为世界范围内100TeV以上能区最灵敏的伽玛射线天文台，并成功的"看见"100TeV伽玛射线。

为什么要研究高能宇宙伽马射线？

△图4 α、β、γ三种射线在磁场中的不同表现

宇宙射线的成分非常多样，大体上可以将之分为带电粒子和不带电粒子。我们都知道，带电粒子在磁场中会发生偏转。地球周围存在磁场，同样的，在银河系内也存在磁场。宇宙射线组成部分中的带电粒子，在银河系磁场中会发生偏转，因此我们无法根据带电粒子的抵达位置来判断其产生的源头位置。而伽玛光子是电中性的，即不带电的。伽马射线在飞行过程中不受磁场影响，不发生偏转。

我们可以根据伽马射线的抵达位置来探寻其产生的源头，而超高能量的伽玛射线又是由高能带电粒子产生的。因此，观测超高能量的伽马射线可以研究这些高能粒子的加速过程，同时可以研究这些高能粒子是在怎样的极端环境下产生的。

高能量伽马射线是探索宇宙的重要探针之一，它能够让我们更好地认识宇宙。对伽马射线（尤其是高能量伽马射线）进行研究，有助我们厘清伽马射线的产生机制，确认发射宇宙射线的天体，是人类探索宇宙及其演化的重要途经。

图片来源：

图1

左https://www.quantamagazine.org/ultrahigh-energy-cosmic-rays-traced-to-hotspot-20150514/

右

https://timeline.web.cern.ch/victor-hess-discovers-cosmic-rays-0

图2

左

https://home.cern/news/news/accelerators/cerns-large-hadron-collider-gears-run-2

右https://www.linternaute.com/science/espace/1194650-les-10-plus-belles-nebuleuses-de-l-univers/

图3

左

http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2019/201907/t20190703_5331899.html

右

https://www.tibet-asg.org/as_ja.html