特寫:她捉到宇宙中最高能量的光子

2020-11-22 中國青年報

黃晶在西藏羊八井安裝宇宙線探測設備。中科院高能物理研究所供圖

新華社北京10月30日電(記者喻菲)公元1054年,北宋天象官目睹了宇宙中最震撼的景象:一顆超新星爆發。近一千年後的2019年,中日科學家從這場宇宙級焰火的遺蹟——蟹狀星雲中探測到迄今能量最高的光子。這一發現被《物理評論快報》作為高亮點文章發表。

扎著馬尾辮,容貌秀麗的中日合作西藏羊八井ASgamma實驗中方負責人黃晶介紹,這一進展標誌著超高能伽馬射線天文觀測進入到100TeV(1TeV=1萬億電子伏特),打開觀測宇宙的新窗口。

宇宙中除了星辰,還隱藏著一個巨大的秘密。無數神秘的粒子正以接近光的速度飛馳,這些神秘的粒子就是宇宙線。

宇宙線給人們帶來了太陽系以外唯一的物質樣本,攜帶著其產生地「源」天體及其經過的空間環境,乃至天體演化及宇宙早期的奧秘,是人類探索宇宙的重要途徑。

在宇宙線發現後的100年間,與之相關的研究獲得了5次諾貝爾獎,但人類還不清楚高能宇宙線的主要來源。什麼樣的物理過程把這些粒子加速到如此之高的能量?在從其發源地傳播到地球這一漫長而遙遠的旅途中經歷了什麼?它們在宇宙演化各個階段起什麼作用?

黃晶記得童年時代的夏夜,她在福建老家院中乘涼,一位讀過大學的鄰居搖著一把畫滿星座的摺扇給大家講故事。滿天繁星讓她對宇宙心馳神往。

1993年黃晶大學畢業去日本東京大學宇宙線研究所深造。當時日本粒子物理學界正在不斷產生諾貝爾獎獲得者。她的老師是中日合作羊八井實驗的日方創始人。在日本讀研期間,黃晶已經跟隨老師到西藏羊八井開展觀測。

她說:「宇宙線探測與國家實力的發展有很大關係,我們都能切身感受到。」上世紀八九十年代中日合作的實驗中,中方既無經費也無技術,只建設了安放數據採集系統的土坯房。一直到2000年左右,中國的經費才逐漸增加。

2008年黃晶回國,到中國科學院高能物理所創立自己的實驗室。當時只有三間空蕩蕩的屋子,差點就要在地上做實驗了。她帶著學生找來廢棄的桌椅搭建起實驗室。探測器組裝完成後無法測試,她的學生用自行車馱著儀器在高能物理所裡轉,好不容易借了一間實驗室,利用周末測試設備。

2012年,黃晶開始擔任中日合作羊八井ASgamma實驗的中方負責人。

黃晶在調試宇宙線探測器。中科院高能物理研究所供圖

為了探尋宇宙線的答案,黃晶曾在西藏遇到生命危險。

有一次,黃晶帶領學生在羊八井觀測站安裝實驗設施,遇上沙塵暴,人幾乎要被風吹跑了。他們或趴著或跪著在狂風中把設備安裝好。

還有一次,黃晶在羊八井發燒快到40度,且有很強的高原反應。當地僅有一個簡陋的衛生所,由於是假期,只有一位男醫生值班,沒有會輸液的護士。如果不立即輸液,黃晶有生命危險。曾為照顧母親學過輸液的黃晶請醫生找來器具並按住自己的胳膊,當她給自己扎針頭時,感覺到男醫生的手在發抖。黃晶脫離危險後醫生感嘆道,從未見過這樣的女人。

羊八井ASgamma實驗雖然條件簡陋,卻取得了豐碩的成果。2014年,中日雙方共同出資完成實驗重大升級改造,成為目前20TeV以上能區國際最靈敏的伽馬天文望遠鏡。

西藏羊八井宇宙線國際觀測站。中科院高能物理研究所供圖

羊八井ASgamma實驗最新成果引起國際學界關注。此前,許多世界上頗具影響力的科學家都認為不可能有超過100TeV的伽馬射線。

「但是我們計算應該是存在的,我們堅持去做觀測實驗。」黃晶說,「這次的新發現打開了100TeV以上觀測伽馬射線的新窗口。能取得這樣的進展,是由於我們開發出了創新型的探測器,大大提高了靈敏度。雖然國際上有十多家宇宙線實驗組,但是我們從來沒有在實驗方法上跟風,我們靠的是觀測技術的創新。」

黃晶介紹西藏羊八井實驗的新發現。中科院高能物理研究所供圖

黃晶說,宇宙線實驗從設計、研製、驗證、實施到最後出成果,是一個漫長的過程。面對浩瀚的宇宙,她一生最多只能做好三個實驗,每一個需要堅持二三十年。

「我第一個實驗是跟著日本老師做的,第二個在羊八井,第三個就是在四川稻城正在建設的高海拔宇宙線觀測站。我們要埋頭苦幹,不斷創新,更要持之以恆。」她說。

「我們國家經濟發展了幾十年,如果沒有國家強大,就不會有錢來研發探測器,就不會有我們自己的核心技術。中國現在有錢了,但是技術和經驗還需要長期積累。」黃晶說,「宇宙線發現一百多年了,起源之謎還沒有答案,很有可能是中國人解答這個世紀之謎。」

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    但是如果你經常看宇宙學的科普文,應該看到或者聽到過這樣的一段描述:宇宙大爆炸以後,空間不斷的膨脹導致了光子失去能量,宇宙持續的冷卻;或者是遙遠的星系發出的光在漫長的空間中穿梭時,由於空間的不斷擴張,導致了光的波長被拉長,出現紅移,能量降低。那麼問題是,這些光子的能量去了哪裡?既然能量是守恆的,這些光子能量轉移到了什麼地方?
  • 僅次於宇宙大爆炸!探測到迄今為止,能量最強的伽馬射線暴
    :使用專門的望遠鏡,兩個國際研究小組記錄到了從伽馬射線爆發中測量到的最高能量伽馬射線,達到了可見光的1000億倍。伽瑪射線爆發是宇宙中已知的最強大爆炸,僅在幾秒鐘內就釋放出比太陽整個生命周期中釋放的能量還多,可以照亮幾乎整個可見的宇宙。天文學家一直在用衛星研究伽馬射線爆發,因為地球的大氣層非常有效地吸收伽馬射線。天文學家已經開發出專門的望遠鏡,可以觀察到宇宙伽馬射線在大氣中誘導稱為切倫科夫光的微弱藍色輝光。
  • 僅次於宇宙大爆炸,探測到迄今為止,能量最強的伽馬射線暴
    宇宙中最強烈爆炸產生的能量甚至比之前已知的更高:使用專門的望遠鏡,兩個國際研究小組記錄到了從伽馬射線爆發中測量到的最高能量伽馬射線,達到了可見光的1000億倍。使用H.E.S.S.和MAGIC望遠鏡的科學家們在《自然》期刊上發表了其觀察結果,這是第一次用地基伽馬射線望遠鏡探測到伽馬射線爆發。
  • 宇宙第二大爆炸發生!噴射物達99.999%光速,光子能量已超過蚊子
    這是宇宙大爆炸後最大的事件之一,但對我們而言,這個之一可以去掉,因為這是有觀察以來,科學家們從地球上發現的宇宙中最亮的光。伽馬射線暴究竟是什麼,科學家們現在並不完全清楚,但推測可能是中子星或黑洞之間的碰撞,或是大質量恆星死亡時,發生超新星爆炸形成黑洞的爆發。
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    單個光子的能量和光子頻率有關,光子能量公式為E=hν;光子從恆星表面發出,光子具備動質量,會受到恆星引力場的引力作用,導致光子的能量降低,由於真空中的光速是不變的,所以只能是光子的頻率降低,這種效應就是光子的紅移效應。
  • 光子能量超此前紀錄10倍
    此次發現源於日前探測到的GRB 190114C,這是45億年前遙遠星系中的一次耀眼的爆炸。科學家利用位於西班牙的MAGIC大氣切倫科夫望遠鏡首次探測到了伽馬射線暴甚高能光子的輻射,並揭示了這些光子的輻射模型。
  • 宇宙膨脹光發生紅移,光子能量憑空消失了?其實跟春運一回事
    圖:春運高速變成停車場宇宙膨脹空間由小變大,能量密度低了,能量總量不變,如果倒放一下宇宙收縮空間由大變小,就如同把光都擠到「車站」去了,能量就高了。>當單個光子在恆星間穿行數年,當恆星和觀測者之間的宇宙空間膨脹時,它組團的光波,波長會變長,而具體到一個光子本身能量會降低,那它的能量去哪了?
  • 宇宙膨脹光發生紅移,光子能量憑空消失了?其實跟「春運」一回事
    ,能量密度低了,能量總量不變,如果倒放一下宇宙收縮空間由大變小,就如同把光都擠到「車站」去了,能量就高了。回答到這裡,估計你能理解了,但是實際這題只回答了一半,如果要深入的講,還有一半很難回答,因為現在說的是光子,涉及到「量子力學」波粒二象性,甚至是無法回答,因為涉及到「量子引力」目前人類無法破解,下面由淺入深的講一講: 當單個光子在恆星間穿行數年,當恆星和觀測者之間的宇宙空間膨脹時,它組團的光波,波長會變長,而具體到一個光子本身能量會降低