一千年前，中國古代的天文學家在史書中留下了一顆恒星發生超新星爆發的壯觀瞬間。 

　　一千年后，當代中國的科學家在那顆星星爆發的遺跡中發現了最高能量的宇宙伽瑪射線。 

　　科學發現在千年的歷史之中竟然得以如此傳承。 

　　2019年7月3日，中國和日本的科學家聯合宣布發現迄今為止最高能量的宇宙伽瑪射線。這些宇宙伽瑪射線來自蟹狀星云方向，能量高達450 TeV（等于4.5×10^14電子伏特）。此前，國際上宇宙伽瑪射線的最高能量紀錄是75TeV，中日科學家在西藏羊八井的宇宙線觀測站如今以超出原紀錄5倍以上的最高能量創造了新紀錄。 

　　超高能伽瑪射線天文觀測進入到100 TeV能區的新時代。 

【配圖1：左圖：西藏ASγ實驗觀測到蟹狀星云方向100TeV以上的伽瑪射線（圖片來自高能物理研究所）；右圖：美國哈勃望遠鏡觀測的蟹狀星云圖片（圖片來自NASA） 】 

　　  

　　什么是宇宙射線？ 

　　宇宙射線有時也被稱為宇宙線，是來自太空的高能粒子。1903年，盧瑟福在用驗電器進行早期的粒子物理實驗時發現，即使把實驗室里的所有放射源移走，甚至用鐵和鉛把驗電器完全屏蔽起來，在驗電器中仍能發現有帶電粒子不斷產生。 

　　他猜想，也許有某種貫穿力極強的輻射從外界射進驗電器，從而激發出帶電的粒子。 

【配圖2：超高能宇宙射線射入地球大氣層，與空氣的原子核碰撞產生“空氣簇射”（圖片來自CERN）】 

　　1912年，奧地利科學家赫斯(Victor Franz Hess)將靜電計等儀器懸掛著氣球放到高空進行實驗，他發現隨著氣球的上升，靜電計在海拔高度1400米～2500米之間測到的輻射持續增加，而且顯然超出海平面的測量值。在海拔5000米的高空，輻射強度甚至達到地面的9倍。由于白天和夜間測量結果相同，因此赫斯斷定這種射線不是來源于太陽的照射，而是宇宙空間。 

　　赫斯提出一種新的假說，“這種迄今為止尚不為人知的東西主要在高空發現……它可能是來自太空的穿透輻射”。 

　　從那時開始，科學界對宇宙射線的各種效應和起源問題進行了廣泛的研究。 

　　起初這種輻射也被稱為“赫斯輻射”，后來被正式命名為“宇宙射線”（cosmic rays），這是來自宇宙空間的高能粒子流的總稱。 

　　 

　　如何探測宇宙射線？ 

　　高能宇宙射線從太空射向地球的過程中需要穿過大氣，這時它們與大氣中的原子核發生相互作用，會撞出各種次級的粒子，這些次級的粒子在飛行過程中會再次與大氣的原子核發生作用產生更次級的粒子，像暴雨一樣從空中灑向大地，如此“一生二，二生三”地不斷發生級聯反應，仿佛一顆大雨滴往下飛行的過程中散落成千千萬萬簇的小雨滴。 

　　這個過程也被稱為“空氣簇射”。 

　　宇宙射線產生的這些次級粒子反復作用產生更多次級粒子，直到平均能量等于某些臨界值，次級粒子的數目達到最大值，稱為簇射極大，之后的粒子逐漸衰變或者被大氣吸收，使次級粒子的數目反而逐漸下降。 

【配圖3：地面的探測器陣列對來自太空的宇宙射線“簇射”進行測量（圖片來自Masato TAKITA的ASγ實驗國際報告）】 

　　科學家們通過探測這些到達地球表面的“簇射”來間接地研究宇宙射線。 

　　高能量宇宙伽瑪射線形成的“簇射”范圍非常大，簇射產生的大量次級帶電粒子幾乎同時到達地面。測量這些同時到達的帶電粒子就可以獲得“簇射”事例。這些簇射到達地表時的面積往往很大，約有幾百、幾千，甚至上萬平方米的面積。一般來說，越高能量的宇宙射線到達地表的簇射面積就越大。 

　　可是，目前人類還造不出這么大面積的單個探測器。怎么辦呢？ 

　　在實際實驗中，人們使用的是“探測器陣列”，把幾十上百個小探測器按照一定幾何分布排列在地面，形成一個個陣列。可以想象，這樣的大型陣列往往需要建在平地上。同時，如果大氣層的厚度太大，宇宙射線的簇射反而會被空氣吸收，導致能探測到的粒子變少，因此，國際上許多實驗的探測器陣列被安排在陸地高原上或者大山之中，例如我國的羊八井宇宙線觀測站就建在西藏，有效利用了當地高海拔大氣稀薄的優勢。 

　　  

　　西藏羊八井ASγ實驗是如何做出這個發現的？ 

　　2019年7 月3日，中國科學家在北京召開新聞發布會宣布，在西藏羊八井宇宙觀測站的發現了迄今為止人類觀測到的最高能量宇宙伽瑪射線。這個最高能量的伽瑪射線能量高達450TeV，不僅如此，實際上科學家發現了24個100TeV以上的伽瑪光子，置信度在5.6倍標準偏差，達到了物理學宣布“發現”的嚴格標準。 

　　在此之前，國際上的最高能量宇宙伽瑪射線紀錄是75TeV，由德國的HEGRA實驗發現。如今，西藏羊八井實驗一舉打破紀錄，超高能伽瑪射線天文觀測因此進入到100 TeV能區的新時代。 

【配圖4：各國不同實驗測量得到的宇宙伽瑪射線能譜，紅色橢圓所圈的點對應著ASγ實驗測量到的450TeV超高能伽瑪光子（圖片來自高能物理研究所）】 

　　科學家仔細分析了西藏羊八井ASγ實驗的伽瑪射線之后，確認它們來自蟹狀星云的脈沖星。蟹狀星云位于金牛座，距離地球6500光年左右，是著名超新星遺跡。 

【配圖5. 《文獻通考》卷二百九十四中記載，北宋至和元年（1054年）客星出沒】 

　　公元1054年，中國北宋時期的天文學家留下了這顆“天關客星”發生超新星爆發的詳細紀錄，“至和元年五月，晨出東方，守天關，晝見如太白，芒角四出，色赤白，凡見二十三日”，當時這顆星星在近一個月的時間里亮到白天也能看見。 

　　如今，人們在對應的位置上觀察到了著名的蟹狀星云，天文觀測確認蟹狀星云的中心位置附近有一顆高速旋轉的脈沖星，蟹狀星云由天關客星對應的超新星爆炸后拋出的物質形成，而中心的脈沖星就是爆炸星體留下的殘骸。 

　　天文學家對蟹狀星云非常偏愛，因為它在全電磁波段的亮度均較高。人們在射電波段、光學波段、X射線波段，一直到伽瑪射線的整個電磁波段對其進行了詳細的觀測研究。 

　　西藏羊八井ASγ實驗也將目標對準了蟹狀星云。西藏羊八井宇宙線觀測站位于海拔4300米的高原，是全球海拔最高的宇宙線觀測站之一，1989年開始由中國和日本科學家合作建設，后來經歷了多次升級改造，在宇宙線的探測研究方面做出了一系列重大發現。 

　　從1989年到2019年，中日科學家在這個實驗上花費了三十年時間。 

　　超高能量宇宙伽瑪射線實驗的難點在于這種宇宙線極為稀有，來自太空的宇宙線通常以帶電粒子為主（比如質子），而不帶電的伽瑪射線在宇宙線中的占比不到1%。伽瑪射線的微小信號被淹沒在整個宇宙線的背景當中，科學家需要想辦法去除宇宙線中的本底，挑選出伽瑪射線的信號。 

　　  

　　如何挑選出伽瑪射線的信號？ 

　　利用帶電粒子空氣簇射和伽瑪光子空氣簇射中，各自產生的μ子個數的差別來區分：宇宙射線中的帶電粒子在空氣簇射時產生的μ子數目多，例如100TeV的質子大約可測得100個μ子，而100TeV的伽瑪光子產生的 μ子大概也就10個左右。 

　　羊八井實驗在2014年進行了升級，成為國際上在相應能區最靈敏的探測器。中日科學家在地下2.5米的地方增加安裝了多個水切倫科夫探測器，利用2.5米的土層過濾掉空氣簇射產生的低能電子和光子本底，水切倫科夫探測器則用于探測μ子。這次升級讓羊八井實驗在國際上首次實現能夠準確測量宇宙線中的μ子個數，成為100TeV以上能區最靈敏的宇宙伽瑪射線探測器。 

　　正是在這一利器的幫助下，中日科學家做出了這一里程碑式的重大發現。 

 

【配圖6：西藏羊八井宇宙線觀測站（圖片來自高能物理研究所）】 

　　  

　　發現最高能量宇宙伽瑪射線，究竟有何意義？ 

　　首先，驗證了科學家們此前對蟹狀星云超高能電子能量的理論推測。 

　　這次實驗探測到的450TeV超高能伽瑪光子可能是低能光子在蟹狀星云脈沖星附近發生“逆康普頓散射”的結果——低能光子從超高能電子那里獲取能量變成高能伽瑪光子，超高能電子則來自蟹狀星云的脈沖星。 

　　根據同步輻射理論的間接推測，蟹狀星云加速的電子能量在1000TeV的量級，這次實驗探測到450TeV伽瑪光子，意味著蟹狀星云存在能量至少為450TeV的超高能電子，十分逼近理論推測的1000TeV能量。 

　　其次，為脈沖星的粒子加速能力提供了實驗證據。 

　　“蟹狀星云”是“銀河系內天然的高能粒子加速器”，人類曾經建造過的最強大的電子加速器是歐洲大型正負電子對撞機（LEP），可以將電子加速到0.2TeV，這次發現表明“蟹狀星云”的電子加速能力比LEP要高上萬倍。 

　　西藏羊八井ASγ實驗已成為世界上對超高能宇宙伽瑪射線探測最靈敏的天文臺，后續還有望發現更多的超高能宇宙伽瑪射線。此前很多人不相信脈沖星能把粒子加速到100TeV，這次的成果則帶來了令人信服的實驗證據。 

　　還提出了新的問題——為什么脈沖星可以把粒子加速到如此高的能量？ 

　　據科學家的推測，這可能與脈沖星風的磁重聯過程有關，這次實驗發現對當前的理論工作提出了挑戰，理論界需要一定的時間對實驗背后的物理機制進行研究。 

　　總之，人類探測到迄今為止來自宇宙的最高能量光子，對超高能量宇宙伽瑪光子的研究有助于揭示宇宙中極端天體的性質，而且這次發現直接證明脈沖星可以加速產生相對論性的超高能電子，是揭開宇宙線起源之謎過程中前所未有的一個里程碑。 

　　  

　　參考： 

　　[1]. https://arxiv.org/abs/1906.05521 

　　[2]. https://indico.ihep.ac.cn/event/6163/contribution/43/material/slides/0.pdf 

　　[3]. http://cloud.xylink.com/live/v/2c9497116b2df68c016b9de51c3379c7 

　　[4]. http://www.ihep.cas.cn/kxcb/kpcg/lztt/kpyd_yzsx/index.html 

超高能伽瑪射線天文觀測進入新時代

圖文簡介

摘要：一千年前，中國古代的天文學家在史書中留下了一顆恒星發生超新星爆發的壯觀瞬間。一千年后，當代中國的科學家在那顆星星爆發的遺跡中發現了最高能量的宇宙伽瑪射線。科學發現在千年的歷史之中竟然得以如此傳承。