高能粒子对宇宙的影响研究论文

高海拔宇宙线观测站全景航拍。 （中科院高能所/图） 在晴朗的夜晚，我们欣赏满天繁星，却不知在这背后宇宙其实暗流汹涌，时刻都在发生着我们肉眼不可见的能量极高的事件。其中很多事件产生的高能粒子来到地球，这些粒子以电离的原子核为主，还包括少量的正负电子和伽马射线，因为来自宇宙而被称作宇宙线。宇宙线携带着很多关于宇宙的信息，因此成为科学家研究的重点。由中国科学院高能物理研究所牵头建设的国家重大 科技 基础设施“高海拔宇宙线观测站”（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）的科学目标就是 探索 高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。 美国东部时间2021年7月8日，LHAASO合作组在《科学》（Science）上发表了最新研究成果，宣布他们精确测量了高能天文学标准烛光的亮度，为超高能伽马光源测定了新标准；同时还观测到能量达到1.1拍电子伏（PeV，1拍=1千万亿）的伽马光子，证明了宇宙中存在能力超强的电子加速器，并对现有理论提出了挑战。高能天文学标准烛光指的是测量其他天体辐射强度的标尺。标准烛光可以看作是宇宙中已知亮度的“灯泡”，科学家可以以此为参照测量其他天体的亮度进而推测这些天体的距离。这次LHAASO合作组测定的作为标准烛光的天体是著名的蟹状星云（crab nebula）。 人类对蟹状星云及其前身的观测已经延续近千年。公元1054年，即北宋至和元年，发生了一次超新星爆发事件，我国古代天文学家观察到了这个事件并进行了记录，相关记载可见于《宋会要》等宋代文献。我国古代将突然出现的星星称作“客星”，1054年的这颗超新星出现在天关星（金牛座ζ）附近，故名“天关客星”。在现代天文学里，这次超新星爆发编号为SN 1054。 这次超新星爆发的遗迹经过近千年的演化就是我们今天看到的蟹状星云。1731年，英国外科医生和天文学家约翰·贝维斯（John Bevis）首次发现了蟹状星云。1758年，法国天文学家查尔斯·梅西耶（Charles Messier）在搜寻彗星时又独立发现了蟹状星云。1774年，他在编制著名的梅西耶星表时把蟹状星云排在第一个，编号为M1。1844年，英国天文学家威廉·罗斯（William ParsonsRosse）对M1进行观测，由于他使用的望远镜分辨率不高，这个星云看起来就像是一只螃蟹，因此他把这个星云命名为蟹状星云。 1921年，天文学家约翰·邓肯（John Duncan）通过比较不同的照片发现了蟹状星云膨胀的迹象。同年，另一位天文学家克努特·伦德马克（Knut Lundmark）注意到蟹状星云与中国北宋时期记录的“客星”位置相近。1928年，天文学家埃德温·哈勃（Edwin Hubble）认为蟹状星云就是1054年超新星爆发后留下的遗迹。这样，蟹状星云成为现代天文学中第一个被证认的具有清晰 历史 观测记录的超新星遗迹。 蟹状星云距离地球约6500光年，直径约11光年，并以每秒钟大约1500千米的速度在膨胀。1969年，天文学家在蟹状星云的中心发现了一颗以每秒钟30.2圈快速旋转的脉冲星，这是首颗被确认为 历史 上超新星爆发遗迹的天体。这颗脉冲星高速旋转的超强磁场将表面磁层中的大量正负电子持续不断地吹向四周，形成一股速度接近光速的强劲星风。星风中的电子与外部介质碰撞后会被进一步加速至更高能量并产生我们看到的星云。 蟹状星云是为数极少的在射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段都有辐射的天体，因此具有重要的研究价值。科学家对其光谱已经进行了大量的观测研究，光谱精确测量跨越22个量级。蟹状星云是非常明亮且稳定的高能辐射源，因此在多个波段上它被作为标准烛光。这次测量了蟹状星云亮度的LHAASO位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，占地面积约1.3平方千米，是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的1平方千米地面簇射粒子阵列（简称KM2A）、78000平方米的含有3120个探测器单元的水切伦科夫探测器阵列以及18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。LHAASO采用这四种探测技术，可以全方位、多变量、立体地测量宇宙线或伽马射线在大气层中的反应，并重建它们的基本信息。 2017年，LHAASO主体建设工程破土动工。此后，LAHHSO遵循“边建设边运行”的安排，1/2规模 KM2A（由2365台电磁粒子探测器和578个缪子探测器组成）自2019年12月底正式运行。2020年12月，3/4规模KM2A实现稳定运行与采数。2021年7月1日，电磁粒子探测器阵列安装完成，成为继缪子探测器全阵列建成之后的又一标志性的事件。LAHHSO预计在2021年7月底之前实现KM2A全阵列的正常运行和物理采数。 近年来，我国在基础科学研究设备方面取得了长足进展，世界上口径最大的射电望远镜、有“天眼”之称的500米口径球面射电望远镜（FAST）已经建成并投入使用，硬X射线调制望远镜（HXMT）“慧眼”发射升空后获得了一系列重要的观测结果。探测宇宙高能粒子的强大能力使得LAHHSO成为高山上的“火眼金睛”。 伽马射线是一种波长短、能量高的电磁波。在此之前，包括中国在内的世界上多个国家的探测器都测量过蟹状星云的伽马射线辐射。但是受制于探测能力的限制，此前并没有对0.3拍电子伏以上能量段的精确测量。LHAASO合作组这次在论文中公布了他们测量的蟹状星云辐射的最高能量端能谱，覆盖了从0.0005到1.1拍电子伏宽广的范围，不但确认了此范围内其他实验几十年的观测结果，还实现了前所未有的超高能区（0.3-1.1拍电子伏）的精确测量，这为该能区标准烛光设定了亮度标准。 LHAASO还测量到能量达1.1拍电子伏的伽马光子，科学家由此确定在大约仅为太阳系1/10大小（约5000倍日地距离）的蟹状星云核心区内存在能力超强的电子加速器，加速能力可以达到2.3拍电子伏，这个加速能量达到了世界上最大的电子加速器——欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机（LEP）产生的电子束的能量的两万倍左右。 科学家此前利用简单的电子加速模型就能对蟹状星云的光谱做出精确解释，这被称作“标准模型”，但是这次的研究成果却对“标准模型”提出了挑战。因为越高能的电子越容易在磁场中损失能量，蟹状星云内的粒子加速机制必须具有惊人效率才能克服这些电子的能量损失。研究人员根据LHAASO的测量结果推算，发现其粒子加速效率要比超新星爆发产生的爆震波的加速效率高约一千倍，已经逼近了经典电动力学和磁流体力学的理论极限。“标准模型”在能量较低的波段与数据吻合得很好，但是在LHAASO观测到的超高能波段，已经明显偏离了“标准模型”。研究人员需要继续积累更多的观测数据，从而对现有理论进行修正并进一步加深对宇宙线的认识。虽然还未正式建成，但是LHAASO在此之前已经取得了重要的观测成果。2021年5月19日，LHAASO合作组在《自然》（Nature）上发表了一篇论文，宣布在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到最高1.4拍电子伏伽马光子。这是人类观测到的最高能量光子，开启了“超高能伽马天文学”的新时代。这篇论文的成果是基于2019年12月底正式运行的1/2规模探测装置在2020年内11个月的观测结果。 LAHHSO合作组在《自然》上发表的这项研究成果在宇宙线研究领域具有里程碑的意义。在这项研究的观测中，在LHAASO能够有效观测到的伽马射线源中，几乎所有的天体都具有辐射能谱在0.1 拍电子伏以上的超高能区，说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量超过了1 拍电子伏。这就揭示了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速到超过1 拍电子伏的宇宙加速器，而人类在地球上目前为止建造的最大的加速器（欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）只能将粒子加速到0.01拍电子伏，也就是说这些宇宙加速器的加速能力是大型强子对撞机的100倍以上。 LHAASO的发现开启了“超高能伽马天文学”新时代。1989年，美国亚利桑那州惠普尔天文台的实验组成功发现了首个伽马辐射能量超过0.1太电子伏（TeV，1太=1万亿）的天体，标志着“甚高能伽马天文学”时代的开启。在随后的30年里，科学家陆续发现了超过200个“甚高能”伽马射线源。2019年，人类探测到首个具有“超高能”伽马射线辐射的天体。LHAASO合作组在这篇论文中报告了他们在11个月的时间里就发现了12个“超高能”伽马射线源，预示着一个新的研究时代的到来，也向我们展现了一个充满极端事件和新奇现象的“超高能宇宙”。 在这项研究中，蟹状星云已经成为焦点，因为研究人员在蟹状星云中发现了能量超过1拍电子伏的伽马射线光子。当时，他们认为这一发现挑战了“标准模型”，甚至挑战了更加基本的电子加速理论，而在发表在《科学》上的论文中，他们继续对此进行了讨论和分析。 LHAASO合作组在短期内接连发布的重要研究成果证明了“火眼金睛”名副其实。在完全建成后，LHAASO预计每年可以记录到1-2个来自蟹状星云的拍电子伏光子。借助这样一件研究利器，科学家将能够深入 探索 极端天体现象及其相关的物理过程，并在极端条件下检验基本物理规律。他们将由此更加深入地认识超高能宇宙线起源，并有望破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。 南方周末特约撰稿 鞠强

比原子还小的粒子几乎以光速在宇宙中穿梭，它们从宇宙的某个地方被放射到太空中。皮埃尔·奥杰天文台的科学合作，包括来自特拉华大学的研究人员，以前所未有的精度测量了这些粒子中最强大的粒子——超高能量宇宙射线。在此过程中，他们发现了能量光谱中的一个“纽结”，这个“纽结”使人们对这些亚原子空间旅行者的可能来源有了更多的了解。 该团队的发现是基于对215030次宇宙射线事件的分析，这些宇宙射线事件的能量超过2.5万亿电子伏特，这些数据是由阿根廷的皮埃尔·奥杰天文台在过去十年中记录的。它是世界上研究宇宙射线的最大的天文台。 新的光谱特征是宇宙射线能谱中一个大约13万亿电子伏特的扭结，它代表的不仅仅是在图表上绘制的点。这使人类更接近解决自然界中最高能粒子的奥秘。 “自从100年前宇宙射线被发现以来，一个长期存在的问题一直是，是什么加速了这些粒子的呢？”施罗德说。皮埃尔·奥杰合作的测量提供了重要的线索，根据之前的工作，我们知道这种加速器并不在我们的星系中。通过这次最新的分析，我们可以进一步证实我们早期的想法，即超高能宇宙射线不仅仅是氢的质子，而且是来自重元素的原子核的混合物，这种成分会随着能量的变化而变化。 施罗德和俄勒冈大学博士后研究员艾伦·科尔曼多年来一直是皮埃尔·奥杰合作小组的成员，他们对数据分析做出了贡献。特拉华大学于2018年正式作为机构成员加入该合作项目。该天文台由来自17个国家的400多名科学家组成，占地1200平方英里，相当于美国罗德岛的面积。 该天文台拥有1600多个被称为水切伦科夫观测站的探测器，分布在草原的高原上，由27个荧光望远镜俯瞰。总的来说，这些仪器可以测量一个超高能宇宙射线粒子在大气中释放的能量，并对其质量提供间接评估。所有这些数据——能量、质量和这些特殊粒子到达的方向——为我们提供了关于它们起源的重要线索。 此前，科学家们认为这些超高能量的宇宙射线粒子大部分是氢的质子，但最近的分析证实了这些粒子有一种核的混合物——有些比氧或氦重，比如硅和铁。 在宇宙射线能谱的曲线图上，您可以看到科学家称为“脚踝”的区域与图的起点（称为“脚趾”）之间的扭结。 “我们没有专门的名称，”科尔曼说，他是一个20人团队的成员，编写计算机代码，并进行大量数据分析所需的数字运算。 科尔曼直接参与了这一发现，他改进了粒子级联的重建（即宇宙射线撞击大气层时产生的粒子级联），以估计能量。他还进行了详细的研究，以确保这个新的拐点是真实的，而不是探测器造成的伪影。数据组的工作花费了两年多的时间。 “显然，这是相当轻微的，”科尔曼说到光谱纽结。“但每次你看到这样的突起，就表明物理学正在发生变化，这非常令人兴奋。” 科尔曼说，很难确定进入宇宙射线的质量。但是，这次合作的测量是如此的精确，以致于许多关于超高能量宇宙射线来自何处的其他理论模型现在可以被排除，而其他途径则可以更加积极地进行研究。 活动星系核和星暴星系目前被认为是高能粒子源。虽然它们通常的距离大约是1亿光年，但少数候选行星距离在2千万光年以内。 科尔曼说：“如果我们知道了高能粒子的来源，我们就能研究出有关情况的新细节。”是什么让这些超高能量得以存在？这些粒子可能来自我们甚至不知道的东西。” 科研人员研究的重点是进一步提高超高能宇宙射线的测量精度，并将宇宙射线谱的精确测量范围扩大到更低的能量。施罗德说，这将与其他实验产生更好的重叠，比如在南极对冰立方的宇宙射线测量，这是特拉华大学主要参与的另一个独特的天体粒子观测站。

这就奠定了我国在量子力学这一方面的基础，同时也说明我们的技术水平是非常高的，对以后的科研有了很大的帮助以及推动作用