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拉索,挑战宇宙线起源之谜

冯杰

2024年02月29日 01:53

柳若愚
光明日报( 2024年02月29日 16版)

2月26日,高海拔宇宙线观测站(LHAASO,以下简称“拉索”)再次公布一项宇宙线起源研究中里程碑式的突破—在距离我们约5000光年之外的天鹅座恒星形成区,拉索发现了一个直径达1000光年的巨型超高能伽马射线泡,首次定位了银河系中的超级宇宙线加速器。拉索是目前,也是未来一段时间内全世界最灵敏的超高能伽马射线望远镜。如今,在美丽的稻城海子山上,这座占地1平方公里的大型天文学观测阵列,正持续搜寻着宇宙中极为罕见的超高能伽马射线光子的踪迹。

捕捉:通过超高能伽马射线来测量宇宙线

宇宙线也称宇宙射线,是来自宇宙空间中的高速带电粒子,主要成分是质子,也包含了各种原子核、电子以及一些反物质粒子。自从1912年首次被奥地利物理学家维克托·赫斯发现以来,宇宙线便在物理学的发展中起到重要作用,很多新粒子便是在宇宙线中发现,大大推进了我们对宇宙中基本物理规律的认知。

虽然宇宙线粒子的数密度低,但单个粒子的能量高,因此星际空间中宇宙线粒子的能量密度与光子场、磁场、气体相当,是星际空间中的一种基本且重要的能量组成部分。宇宙线粒子的能量分布范围很广,最高可达3×1020电子伏,超出目前最强的人造粒子加速器(即欧洲核子研究中心的大型强子对撞机)可加速的最高粒子能量几千万倍。这些带电粒子如何获得、在何处获得如此之高的能量,引起了物理学家与天文学家们的广泛兴趣。

21世纪初,美国国家委员会将宇宙线的起源与加速问题列为新世纪物理学的11个基本问题之一,学术期刊《科学》于2021年发布的125个科学前沿问题中,宇宙线的起源问题也位列其中。

实际上,经过100多年的研究,科学家们对宇宙线的起源已经有了一定程度的了解。通过对宇宙线能谱(即宇宙线粒子数目随能量的分布)的测量,科学家们发现其大致呈现出一种被称为幂率形式的非热分布,这与我们所熟悉的热分布(如一杯50度的温水中,水分子的能量分布形式为温度为50度的热分布,而我们无法定义一团宇宙线粒子的温度)形式有明显区别。宇宙线能谱在能量为1015电子伏(或1拍电子伏,1拍=1015)附近有一个因形似人体膝关节而被称为“膝”的拐折结构。科学家们认为,能量在该拐折结构之下的宇宙线主要起源于银河系内的天体,而该结构也反映出银河系主要的宇宙线加速源的加速能力极限就在1拍电子伏附近。

然而,究竟是银河系内的哪些天体产生了能量直到“膝”处的宇宙线,仍然是一个未解之谜,也是近10年来研究的一个热点问题。宇宙线加速源的定位,难以通过对宇宙线自身的测量来完成,这是因为宇宙中无处不在的磁场会改变带电粒子的运动方向。所以,当宇宙线到达地球时,其速度方向的反向延长线并不会指向它们的加速源。但另一方面,这些高能宇宙线可能在加速源内或附近产生辐射,辐射出的光子的运动方向不受磁场影响,如果能辨认出这些高能宇宙线辐射出的光子,便能够通过它们来定位宇宙线的加速源。

在银河系的大部分环境中,宇宙线质子的主要辐射方式是通过与物质中的原子核(主要是氢原子核,也即质子)强相互作用而产生的。中性π介子会在所谓的质子-质子碰撞中产生,它们会迅速衰变为光子,每个光子大约携带高能质子10%的能量。因此,如果要研究1拍电子伏宇宙线质子的起源,我们需要寻找能量在0.1拍电子伏之上的光子,该能量之上的光子也被称为超高能伽马光子或超高能伽马射线。但另一方面,高能的电子同样有可能辐射超高能伽马射线。所以,当我们通过搜寻伽马射线源来定位宇宙线加速源时,还需要辨认这些伽马射线的辐射机制,找到真正由宇宙线质子产生的超高能伽马射线源。为此,我们需要对超高能伽马射线源进行高精度的测量,这便是拉索可以大显身手的舞台。

最灵敏:锻造地面超高能伽马射线探测器

超高能伽马光子的探测难度主要有两点:一是这些光子的流量(单位时间通过单位面积的光子数)较低,二是这些光子往往淹没在作为背景的宇宙线中,难以辨认。超高能伽马光子在进入地球大气层后,会与大气层中的物质发生一系列反应。初始光子被吸收,但同时会产生很多次级粒子,成分主要是正负电子对。这个过程被称为广延大气簇射。

因此,对超高能伽马光子(包括较低能的一些甚高能伽马光子)的探测,并不是直接使用望远镜去收集初始光子,而是通过测量它们在大气层中产生的次级粒子,来反推出初始光子的能量与方向等基本信息。

拉索对超高能伽马光子的测量,主要是通过由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里的地面簇射粒子探测器阵列来完成。阵列覆盖的面积大,这在一定程度上弥补了超高能伽马射线微弱的流量。此外,拉索的缪子探测器能够有效区分光子引起的信号与宇宙线引起的信号。这是因为宇宙线质子或原子核与大气层的相互作用,除了产生正负电子对,还会产生大量的缪子。通过缪子探测器,拉索可以将由宇宙线引发的广延大气簇射事件去除,从而把背景事件的数量压低上万乃至几十万倍,以便轻松将光子产生的信号挑出。

在拉索运行之前,宇宙中已知的超高能伽马射线源仅有蟹状星云,是由同样位于青藏高原、中日合作的探测器ASγ于2019年探测到的。2019年底,拉索开始以当时已完成建设的一半探测阵列运行,11个月内便探测到了连同蟹状星云在内的12个超高能伽马射线源,不仅将蟹状星云的最高能光子大幅提升至1.1拍电子伏,还在天鹅座恒星形成区测量到了能量高达1.4拍电子伏的光子,创下了有史以来测量到的最高光子能量纪录。2021年7月完成全阵列的建设后更是火力全开,一年内将超高能伽马射线源的数量一口气提升到了43个。可以说,拉索凭借优越的性能,开启了在超高能伽马射线能段对宇宙观测的新窗口。

里程碑:确认天鹅座的巨型“泡泡”是宇宙线源

经过3年多的观测,拉索在天鹅座恒星形成区,发现了一个直径超过一千光年的巨型超高能伽马射线泡(下文简称伽马泡),其中有8个光子能量超过了1拍电子伏,最高能量达到了2.5拍电子伏,再次刷新了最高光子能量的纪录。通过比较伽马泡的形态与该区域的气体分布可以发现,二者有一定的相关性,暗示了伽马泡起源于宇宙线质子的辐射过程。在伽马泡的中心区域,光子的分布较为集中,相较于泡内的平均光子密度呈现出明显的超出,这表明泡中心必定存在一个宇宙线加速源,向周围持续注入宇宙线。2.5拍电子伏光子的出现,表明了这个宇宙线加速源能够加速出约25拍电子伏的质子,该能量已经大大超出传统认为的银河系宇宙线源能够加速的最高质子能量,也即宇宙线能谱的“膝”结构所对应的能量。

在伽马泡中心的方向上,最可能作为加速源的天体,便是天鹅座恒星形成区中的一个名为天鹅座OB2的OB星团。星团,指大量恒星因为相互之间的引力作用组成的集团。按照恒星的表面温度,大体上可以将它们分为7类,按照温度从高到低分别用OBAFGKM7个字母来代表。其中O型星表面温度超过3万度,它们的质量可超太阳10倍甚至百倍,而光度则能达到太阳的万倍甚至百万倍。强大的光度来源于恒星中心剧烈的核聚变过程,使得这些恒星的寿命非常“短暂”,仅能持续几百万至上千万年(太阳的寿命约100亿年)。因此,包含大量O型星与B型星的星团必定处于演化的早期阶段,可称得上年轻。此外,OB星相对于温度较低、质量较小的恒星而言,数量极为稀少,聚集了大量O型星与B型星的星团中必然包含了更多的小质量恒星,使得星团的总质量很大,因此它们也被称为年轻大质量星团。

天鹅座OB2中在几十光年见方的区域内包含了几百颗O型星与B型星这种大质量恒星,这些恒星强大的光压将表面的物质向外吹出,形成高速的星风,蕴含了巨大的动能。在如此狭小的空间内,星风之间相互猛烈碰撞,形成强激波、强湍流环境,粒子在其中可以得到有效的加速。这些星风也可能最终合并为一股更加强大的外流,其与周边星际介质的碰撞同样为粒子加速创造了良好的条件。

当粒子获得足够高的能量后会逃逸出加速区,成为宇宙线,去向更广阔的星际空间。宇宙线是带电粒子,受到星际空间中磁场的影响,并不会沿着直线运动,而是绕着磁力线旋进。又由于星际空间中磁场的形态在一定程度上是不规则的,宇宙线的运动轨迹也杂乱无章。因此,科学家们认为宇宙线的运动在整体上以扩散的方式进行。扩散的快慢决定了加速源周边星际空间中的宇宙线密度,从而决定了它们辐射出的超高能伽马光子的流量。拉索通过测量伽马泡中的超高能伽马辐射亮度到中心不同距离的衰减程度,推算出宇宙线密度的分布以及它们扩散的速度。结果表明,伽马泡内的宇宙线加速源使得其周边的宇宙线密度远远超出在地球处测量到的值,其影响的空间范围甚至可能比目前观测到的伽马泡尺度还要超出1~2倍。因此,随着拉索进一步积累数据,也许能够观测到伽马泡更加外围的部分。另外,推算出的伽马泡内的宇宙线扩散速度,比银河系平均的宇宙线扩散速度,要慢上百倍之多,这说明在天鹅座恒星形成区的磁场结构,比预想的要更为不规则。这样不规则的磁场结构如何形成是需要进一步研究的问题。此外,拉索的测量结果也引人思考:银河系中是否还有其他的伽马泡?在那些伽马泡中是否也存在这样的慢扩散区?如果银河系中存在大量类似的巨型泡状结构,宇宙线在银河系的传播过程将不可避免地受到其中高度不规则磁场的影响,使得我们可能需要重新审视关于宇宙线起源的一些现有认知。

这个巨大“泡泡”的发现很可能将在高能天体物理领域产生深远的影响——这不仅是首次定位了高能天体物理学家们几十年来一直所寻找的拍电子伏宇宙线加速源,更是首次表明银河系中天体的粒子加速能力很可能突破了传统认为的拍电子伏极限,达到了20拍电子伏。这对当前粒子加速的理论提出了严峻的挑战。此外,巨型泡状结构的发现也可能改变我们对星际磁场性质的认知,甚至可能引起宇宙线起源研究的范式转移。而拉索的发现之旅还远未结束,我们期待拉索进一步的观测带来更多惊喜。

(作者系拉索国际合作组成员、南京大学教授)


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2024年02月29日 09:53
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