天鹅座“情书”稻城收启 “超高能伽马天文学”时代来了

2021-05-18 09:51

  曹臻在高海拔宇宙线观测站沙盘前留影(2021年2月23日摄)。新华社记者 金立旺 摄

  建设中的高海拔宇宙线观测站(无人机照片,资料图)。

  宇宙线

  ●昵称:“宇宙大事件”的信使

  ●籍贯:天鹅座

  ●诞生时间:不详,也许几万年前,也许几亿年前

  ●构成:90%是质子,其次是氦核,约占9%,剩下是其他各种元素的原子核、少量光子、电子、中微子以及反物质粒子

  ●谜团:作为来自外太空的唯一物质样品,宇宙线携带着其产生地“源”天体及其经过空间的宇观环境,乃至天体演化及宇宙早期的奥秘

  一封来自太空的情书

  我是高能粒子,我从宇宙深处天鹅座而来,奔向蓝色地球!

  不只千万里,奔行亿万年,逐你而来。

  没有乌云遮挡,天空清澈透亮;我知道,你就在那里!

  那是四川,那是稻城,那是海子山,我一头扎向你的怀抱……

  与你亲密相会,与你浪漫相拥。

  这一拥,如此甜蜜,又意义非凡——

  我改变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”的时代。

  一定程度上改变了人类对银河系的认知,也为破解宇宙线起源这个“世纪之谜”迈出了重要一步。

  苍穹为证,繁星为证。我来自哪里?我为何飞得这么快?我为何有如此高的能量?我在飞往地球的旅途中经历了什么……

  这一切,我慢慢告诉你……

  高海拔宇宙线观测站

  ●昵称:因为从高处看,占地1.36平方公里的高海拔宇宙线观测站就像一枚铜钱,放置在群山之间,科学家们称其为“孔方兄”。

  ●籍贯:四川省稻城县海子山

  ●诞生时间:主体工程于2017年开始建设,全部设施有望于今年6月完工,实现全阵列科学观测

  ●构成:5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的1平方公里地面簇射阵列,78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列

  ●目标:探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动,并寻找暗物质;广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源;测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱,揭示宇宙线加速和传播的规律,探索新物理前沿

  宇宙线发现后的100多年来,与之相关的研究获得5次诺贝尔奖,但人类还不清楚高能宇宙线的主要来源。什么样的物理过程把这些粒子加速到如此高的能量?它们飞往地球的旅途中经历了什么?它们在宇宙演化各阶段起什么作用?

  5月17日,中国科学院高能物理研究所与Springer Nature联合发布了重大发现——国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器,并记录到来自天鹅座内的最高1.4拍电子伏伽马光子(拍=千万亿)。专家表示,这是人类观测到的最高能量光子,改变了人类对银河系粒子加速机制的传统认知,开启“超高能伽马天文学”的时代。

  这些发现跟我们日常有什么关系?每时每刻造访地球的宇宙线对人体有害吗?记者近日专访了LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻。

  为何研究宇宙线?

  ●宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径

  ●宇宙造了比人类造的高100倍的加速器,这促使我们继续去探索宇宙线产生机制及加速原理,对宇宙和人类未来做更深入的解读

  ●高能量的加速器,目前还没直接进入日常生活,但根据其原理建造的缩小版加速器已经变成医疗设备、工业探伤的重要手段

  人类生活的环境被大气层保护得很好

  记者:每时每刻光顾着地球,宇宙线对人体有害吗?

  曹臻:没有。因为超高能的光子非常少。像这次发现的“拍电子伏宇宙加速器(PeVatron)”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱,即便是被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云发射出来的能量超过1 PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个,而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中,非常稀少。

  其次,我们的地球有个保护膜,就是大气层。大气层虽然感觉看起来很“稀薄”,但高能量粒子穿透它时会撞到里面的氮、氧等原子核,产生簇射过程,能量会被分解掉。经过分解后,落在人身上的能量就不高了。

  我们人类就是在这个环境中演化而来的,这些粒子也是我们的生存环境之一。人类生活的环境大多处于海拔1000米-2000米范围内,被大气层保护得很好,这也是我们能够在地球上世代繁衍的原因。

  改变了对银河系粒子加速机制的传统认知

  记者:宇宙线的研究有什么意义?

  曹臻:宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。

  人类对粒子物理的认知,从宇宙线发现单个粒子的存在,到现在对整个粒子家族和相互作用标准模型、整个物质结构有一个完整清晰的认识,花了一个世纪的时间,就是靠加速器实现的。

  人类建加速器的历史不长,上世纪50年代才有大规模的粒子加速器建设起来,最大的比我们桌子大不了多少。上世纪末有了重大突破,达到27公里周长的规模。

  我们纠结的是,现在建加速器的方法,基本是上世纪50年代的方法。要建很大的加速器,只能越做越大。新的现象可能带来新的理论,我们可以基于此次发现探究其源头,学习宇宙加速器的机制。

  记者:LHAASO的这些发现,为什么说改变了我们对银河系粒子加速的传统认知?

  曹臻:大家普遍认为,银河系并不是非常活动剧烈的星系,质量和活跃程度都很中庸。因此得出结论,银河系的天体也不是很活跃,不应该产生能量特别高的粒子。故此推断测量到的高能量粒子产生于其他星系。这是我们对传统银河系的认知。但是LHAASO观测到,银河系里有一些天区,比如天鹅座,充满了非常多的大质量恒星。这些恒星质量大,不稳定,快速死亡,快速产生。这样的恒星形成区产生高能量粒子,就是稀松平常的事儿了。

  因此,科学家们发现了能量超过拍电子伏的光子,来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区。证明银河系并不这么温和稳定,只是我们所处的太阳系位置比较边缘,比较稳定。

  高能量的加速器,对生活会越来越重要

  记者:和我们的生活有什么关系?

  曹臻:高能量的加速器,目前还没直接进入日常生活,但根据其原理建造的缩小版加速器已经变成医疗设备、工业探伤的重要手段。比如在一些大型医院里,加速器作为肿瘤治疗的基本手段,已经进入我们的生活。

  我们在东莞建设的散裂中子源,就是一个非常大的加速器。其产生的中子束流,其中一个作用就是用于治疗肿瘤的研究。近日我们高能所开战略研讨会,其中两个报告就谈到,用中子源进行肿瘤治疗,效果很好。高能量的加速器,对生活会越来越重要。

  大科学装置的建设,对相关产业带来提升和影响。我们使用的设备几乎都靠自主发明和制造,对相关配套产业提出苛刻的要求。生产制造企业通过和我们的合作,不断改进技术,一些技术达到世界领先水平。比如我们使用的光电倍增管,有半米长,日本的售价卖到了6万至7万元一支。我们帮助南京的一家企业成功突破了这个设备,还用到更好的技术,日本的价格一下降到2万元左右。

  LHAASO产生的数据,贡献是对全人类的

  记者:我们的探测数据对国际科学界开放吗?

  曹臻:我们的基础研究都是开放的。瑞士、法国、泰国、俄罗斯等国家的四五个单位也加入我们的研究课题。

  一方面,LHAASO产生的数据,贡献是对全人类的。对宇宙线这样的前沿学科来说,需要大家共同努力。另一方面,我们在这个领域的研究能力并不是世界最领先的,运用优质的观测数据和世界顶级科学家的合作,能提升我们的队伍和研究能力。

  揭秘

  历经5年,LHAASO选址稻城海子山

  高海拔宇宙线观测站(LHAASO)为什么建在四川?

  LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻透露,高海拔宇宙线观测站的选址历经5年时间,项目在四川、西藏、青海、云南等多个省区进行了踏勘和考察。最后综合判断,选择了四川甘孜州稻城县海拔4410米的海子山。

  原因有几个方面。首先,海子山自然条件非常好,海拔高。海拔不够,想要探测的粒子可能被大气吸收掉。如果同样的探测器在1000多米高的地方,就得不到今天的重大发现。

  其次,建设200个足球场这么大的阵列,必须地势平坦。探测器内部需要大量超纯净水,需要良好的交通和通信,这些都能满足。

  这个过程中,离不开四川省各级地方政府的大力支持。基础设施上,修了20多公里长的道路,几公里长的水渠,1188个探测器位置的场平,49公里输电线路,还有变电站……各级政府非常支持,在各个方面都给予大量的协助。

  现在这是世界上最好的站点之一。亚丁机场交通便利,给项目提供了巨大的方便。雅康高速的开通,从理塘到亚丁的高水平国道,给项目运输提供了便利。有欧洲科学家来后感叹,“想都想不到的建设速度!”(记者 徐莉莎)

责任编辑:徐梦帆
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