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宇宙线天文学

作者|高孟嘉

审核|丁乙

编辑|王启元

宇宙线天文学

宇宙线简介

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流,由超新星、耀变体等天体活动产生。大约89%的宇宙线由质子构成,10%由氦原子核(即α粒子)构成,还有极小一部分由电子、γ射线或超高能中微子构成。宇宙线天文学便是探测天体辐射出的这些粒子,进而对天体活动进行研究的学科。

宇宙线主要可以分为两类——原宇宙线和次宇宙线。由辐射源直接产生的宇宙线称为原宇宙线;原宇宙线与其他物体(如地球大气)撞击后,则会产生次宇宙线,这一过程称为粒子簇射或大气簇射。一般认为,太阳在活动过程中也会产生一些低能量的宇宙线。宇宙线各成分的强度会随能量的不同而产生变化。在低能段区域的宇宙线受太阳活动影响十分明显,而在高能段的宇宙线受太阳活动的影响较微弱。

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宇宙线大气簇射艺术图(图片来源于Pierre Auger Observatory)

宇宙线简史

宇宙线的发现可以追溯到上个世纪初。1912 年4月17日日全食期间,为了研究地球大气中的电离辐射,奥地利物理学家维克多·赫斯(Victor Hess)乘坐热气球将高压电离室带到高空中,他发现高空的电离率是地面的数倍。由于日全食期间与没有发生日食时的结果基本一致,因此赫斯断定这种辐射与太阳无关,而是“一种具有极高穿透力的辐射从地球之外进入大气层”。这种辐射最初被称为“赫斯辐射”,20世纪20年代美国物理学家罗伯特·密立根(Robert Andrews Millikan)将它命名为“宇宙线(cosmic ray)”,这一术语使用至今。赫斯的这项实验揭开了宇宙线天文学的序幕,而赫斯本人也因此获得了1936年诺贝尔物理学奖。

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1912 年赫斯利用热气球实验发现宇宙线(图片来源于美国物理学会)

宇宙线的发现对粒子物理学的进步起到了非常重要的推动作用,尤其是在20世纪30到50年代。在这段时间里,在宇宙线中发现了很多新粒子。例如1932 年,卡尔·大卫·安德森(Carl David Anderson)从宇宙线中发现了正电子(1936 年获诺贝尔物理学奖);1947 年,塞西尔·弗兰克·鲍威尔(Cecil Frank Powell)等人在高空核乳胶室中发现了π介子(1950 年获诺贝尔物理学奖);同年,乔治·迪克逊·罗切斯特(George Dixon Rochester)和克利福德·查尔斯·巴特勒(Clifford Charles Butler)发现了 K 介子……

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赫斯(左)和安德森(右)共同分享1936年诺贝尔物理学奖(图片来源于诺贝尔奖官网)

中国的探测设备

由于宇宙线能量越高,数量就越稀少,为了观测到更多的宇宙线,科学家提出使用大型地面探测阵列来间接观测它们。我国也积极地建设了相关实验装置,位于念青唐古拉山脚下的西藏羊八井宇宙线国家野外科学观测研究站(以下简称羊八井观测站)就是一个大型地面宇宙线探测阵列。羊八井观测站拥有中日合作ASγ和中意合作ARGO-YBJ两个大型实验项目。它不仅能进行天体物理和粒子物理方面的基础研究,还能监测太阳活动变化、研究其对地球环境的影响,进而把宇宙线作为太阳活动和地球空间天气的“晴雨表”,为航天安全和地球环境提供预报服务。

自建成以来,羊八井观测站取得了出色的成绩,例如今年3月初,ASγ团队在《自然·天文学》发表论文,宣布羊八井观测站在国际上首次发现超高能宇宙线加速候选天体,为解开超高能宇宙线起源之谜打开重要窗口。

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羊八井宇宙线国家野外观测研究站(图片来源于中国科学院日地空间环境观测研究网络)

位于四川省稻城县海子山的高海拔宇宙线观测站(Large High Altitude Air Shower Observatory,以下简称LHAASO)是由我国科学家提出并自主建设的新一代复合型探测器阵列,占地面积约1.36 平方公里。LHAASO的核心科学目标是探索高能宇宙线起源,以及进行相关的高能辐射、天体演化和暗物质分布的基础科学研究。今年7月,LHAASO完成全部建设并投入运行。

虽然LHAASO今年才全部建成,但早在2019年4月,就已将部分设备投入观测,并已取得不俗的成果。今年5月17日,中国科学院高能物理研究所(以下简称高能所)宣布,LHAASO在银河系内发现2个能量超过1PeV(1000万亿电子伏特)的光子,它们分别来自天鹅座OB2星团和蟹状星云,其中来自前者的光子能量高达1.4±0.13PeV,这是人类迄今观测到的最高能量光子,突破了人类对银河系粒子加速的传统认知,开启了超高能伽马天文学的新时代。今年7月,高能所宣布LHAASO精确测量了蟹状星云的能谱,不但确认了其他实验几十年的观测结果,还精确测量了其他实验无法达到的超高能区,此外还探测到一个1.1PeV的光子,逼近理论极限。

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LHAASO效果图(图片来源于LHAASO)

随着探测设备的不断升级,人类终将破解宇宙线的一系列谜题。

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参考资料

(1)宇宙线,维基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/宇宙線

(2)刘佳,曹臻.高海拔宇宙线观测站开启“超高能伽马天文学”时代[J].物理,2021,50(06):393-394.

(3)曹臻,陈明君等.高海拔宇宙线观测站LHAASO概况[J].天文学报,2019,60(03):3-18

(4)曹臻,何会海.大科学装置与高能宇宙线起源的探索[J].中国科学:物理学 力学 天文学,2014,44(10):1095-1107.

(5)肖刚.利用羊八井三期阵列数据全天区扫描方法搜寻VHEγ射线点源[D].山东大学,2006.

(6)卢红,赵琳.西藏羊八井宇宙线国家科学观测研究站:历程、成就及建议[J].工程研究-跨学科视野中的工程,2010,2(01):53-64.

(7)张佩佩.基于银河系宇宙线空间依赖传播模型研究正负电子能谱[D].石家庄:河北师范大学,2021.

(8)高海拔宇宙线观测站官网,http://www.ihep.cas.cn/lhaaso/

(9)中国科学院日地空间环境观测研究网络官网,http://www.stern.ac.cn/index.asp

(10)突破“极限”!我国科学家发现迄今最高能量光子,科技日报,2021年5月18日01版

(11) Cosmic ray,Detailed Pedia,https://www.detailedpedia.com/wiki-Cosmic_ray

(12)谢懿.解密宇宙线[J].天文爱好者,2015(6):44-47.

(13) The Tibet ASγ Collaboration. Potential PeVatron supernova remnant G106.3+2.7 seen in the highest-energy gamma rays. Nat Astron 5, 460–464

(14)重磅!高能天文学“标准烛光”亮度测定,中国科学报,2021年7月9日第1版 要闻

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