出品：科普中國
製作：魚長弓（北京航空航天大學物理系）
監製：中國科學院計算機網絡信息中心
近日，中日合作西藏ASgamma實驗團隊利用我國西藏羊八井ASgamma實驗陣列發現能量高達450TeV的宇宙伽馬射線，這是迄今為止最高能量的宇宙伽馬射線。這一發現成為國內外媒體關注的焦點。此次中日聯合團隊發現了24個100 TeV以上的伽瑪射線事例，超出宇宙線背景5.6倍標準偏差，其中能量最高的約為450 TeV。這標誌著伽馬射線天文觀測進入到100TeV以上的能段，對於探究天體的物理過程和規律具有重要意義。
那麼什麼是高能宇宙射線？高能伽馬射線是如何產生的？科學家又是如何觀測到它的？為什麼高能宇宙伽馬射線的發現備受關注？這篇文章將為大家一一道來。
無處不在的宇宙射線
宇宙射線是來自外太空的高能粒子，宇宙射線成分複雜。大約89%的宇宙射線是單純的質子，10%是氦原子核（即α粒子），還有1%是重元素。伽馬射線是宇宙射線的一種，但在其中只佔極小的一部分。宇宙射線可大致分為兩類：原生宇宙射線和衍生宇宙射線。原生宇宙射線是由宇宙射線源產生，然後成功逃逸到宇宙空間且未與星際物質發生相互作用的粒子流；衍生宇宙射線指的是原生宇宙射線和星際物質作用後產生的各種粒子。
宇宙射線幾乎無處不在，影響宇宙射線劑量的主要因素有海拔、緯度、屏蔽等因素。海拔越高、緯度越大，輻射越強。宇宙射線的發現可以追溯到一百多年前。1912年，奧地利物理學家Vector Hess在高空熱氣球實驗中首次發現了宇宙射線。自發現至今，人們研究了宇宙射線的成分、能量分布等性質以及隨空間、時間的變化規律。宇宙射線已經發展成為一門獨立的學科。但宇宙射線在何處產生？是什麼把它加速到如此高的能量？這些依然是宇宙射線物理的核心問題。
千裡迢迢「趕」到地球的高能宇宙伽馬射線
想必大家都聽過粒子加速器，加速器是一種能使帶電粒子能量增加的科學裝置。目前世界上最大的粒子加速器是位於日內瓦近郊的歐洲大型強子對撞機。這臺設備可以將質子加速到6.5TeV（萬億電子伏特），要知道可見光的能量只有幾個電子伏特。而此次西藏羊八井ASgamma實驗平臺探測到的伽馬光子能量在100TeV以上。宇宙加速器遠遠超過了人類最先進的機器。
西藏羊八井探測到的高能伽馬射線來自於蟹狀星雲。蟹狀星雲位於金牛座，距離地球大約6500光年，是公元1054年一次明亮的超新星爆發的殘骸。在蟹狀星雲中，最初的爆炸為加速創造了條件。研究人員認為，蟹狀星雲中高速旋轉的脈衝星能夠產生超高能量電子（能量來源於磁場），這些電子與周圍宇宙微波背景輻射發生「逆康普頓散射」，就會產生100TeV以上的高能伽馬射線。伽馬射線向外發射，最終到達地球上被探測器探測到。可以推斷出，蟹狀星雲就是「銀河系內天然的高能粒子加速器」。
怎麼才能「看見」宇宙伽馬射線
△圖3 左：廣延大氣簇射 右：西藏ASgamma實驗探測器示意圖，白色小方塊為表面探測器陣列，彩色部分為地下繆子水切倫科夫探測器
僅憑肉眼是無法觀察到伽馬射線的。那要如何才能「看見」它們呢？答案是必須藉助探測器才可以。高能的原生宇宙射線進入地球大氣後，會在10到15公裡的高空和大氣中的介質（主要是氧原子核和氮原子核）發生相互作用產生次級粒子、次級粒子繼續反應產生更多的粒子，這就是「廣延大氣簇射」。以廣延大氣簇射為基礎，人們發展了地面陣列探測技術。
西藏羊八井ASgamma實驗陣列主要分為地上地下兩個部分。地上表面探測陣列使用了近600個閃爍體探測器，分布在65000平方米的區域內（約為150個籃球場的面積）；而地下部分則是有效面積為4200平方米的繆子水切倫科夫探測器。表面探測陣列的優勢在於視場大，可以進行全天候、大天區的觀測。它能夠記錄次級粒子到達探測器的時間信息、粒子的密度分布和粒子的電荷等信息，從而重建出原生宇宙射線的方向、能量以及成分。
我們在前面的文章中提到過，在宇宙射線中，伽馬射線所佔的比例極小，其他的粒子與大氣中的介質反應也會產生次級粒子，這些次級粒子會對探測伽馬射線產生幹擾。地下繆子水切倫科夫探測器就是為了去除這些幹擾。羊八井實驗平臺所使用的地下繆子水切倫科夫探測器能夠剔除99.92%的幹擾。也正是地下繆子水切倫科夫探測器的存在，使得西藏羊八井ASgamma實驗平臺成為世界範圍內100TeV以上能區最靈敏的伽瑪射線天文臺，並成功的「看見」100TeV伽瑪射線。
為什麼要研究高能宇宙伽馬射線？
宇宙射線的成分非常多樣，大體上可以將之分為帶電粒子和不帶電粒子。我們都知道，帶電粒子在磁場中會發生偏轉。地球周圍存在磁場，同樣的，在銀河系內也存在磁場。宇宙射線組成部分中的帶電粒子，在銀河系磁場中會發生偏轉，因此我們無法根據帶電粒子的抵達位置來判斷其產生的源頭位置。而伽瑪光子是電中性的，即不帶電的。伽馬射線在飛行過程中不受磁場影響，不發生偏轉。
我們可以根據伽馬射線的抵達位置來探尋其產生的源頭，而超高能量的伽瑪射線又是由高能帶電粒子產生的。因此，觀測超高能量的伽馬射線可以研究這些高能粒子的加速過程，同時可以研究這些高能粒子是在怎樣的極端環境下產生的。
高能量伽馬射線是探索宇宙的重要探針之一，它能夠讓我們更好地認識宇宙。對伽馬射線（尤其是高能量伽馬射線）進行研究，有助我們釐清伽馬射線的產生機制，確認發射宇宙射線的天體，是人類探索宇宙及其演化的重要途經。
圖片來源：
圖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
圖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/
圖3
左
http://www.ihep.cas.cn/xwdt/gnxw/2019/201907/t20190703_5331899.html
右
https://www.tibet-asg.org/as_ja.html