高能宇宙线到底起源于哪里？中国科学家找到新证据

2021年05月24日 10:10 来源：北京科技报社

高能宇宙线来自哪里？这是自宇宙线发现以来，跨越了整整一个世纪的未解之谜。最近，西藏羊八井中日合作实验（ASγ实验）的最新成果，让人们离解开这个世纪之谜又近了一步。

撰文/记者李鹏编辑/陈永杰

新媒体编辑/房永珍

采访专家

黄晶（中国科学院高能物理研究所粒子天体中心研究员、西藏 ASγ实验负责人）

广袤宇宙中除了繁星，还隐藏一个秘密。无数粒子正以接近光的速度飞驰，它们就是宇宙线。1912年奥地利物理学家维克多·赫斯意外发现了宇宙线。这些产生于宇宙深处的高能“子弹”，把人类对物质世界的认识深入到粒子层面，并把无限小的微观世界与无限大的宇观世界联系起来。

▲西藏asγ实验队在银河系坐标系中观测到的uhe漫射γ射线事件的分布。（中科院高能物理研究所供图）

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？世界各国纷纷投入资金与设备对其展开研究，中、美、俄、日、德等国家建有宇宙线观测站。其中，中日合作的西藏羊八井ASγ实验就是其中之一。

日前，中国科学院高能物理研究所宣布：西藏 ASγ实验观测到迄今为止最高能量的呈弥散状态，也就是向四周扩散开的伽马射线辐射，最高能量达957 TeV(TeV能量单位，1TeV=1万亿电子伏特)，接近1PeV（1000万亿电子伏特）。

这是国际上首次发现“拍电子伏特宇宙线加速器”(PeVatron——被认为能把宇宙线加速到 PeV 能量的天体源) 在银河系中确切存在的证据。因此本次发现在国际物理学界备受关注，该结果也被美国物理学会评论为研究高能宇宙线起源“世纪之谜”的里程碑，并在美国《物理评论快报》上正式发表。

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项目开始时只有三间空荡荡的屋子

西藏羊八井是一个由造山运动形成的山间断陷小盆地，西北的大山挡住了北来的寒流，只东南方开一豁口，一条叫堆龙曲的小河由此流向拉萨，接通了印度洋暖湿气流入藏的雅鲁藏布江—拉萨河通道，从而造成这个海拔4300米的盆地内气候温和、冬少积雪，有常年通畅的交通，地热资源丰富，简直就是个上天恩赐的宇宙线观测福地，因此被建成了我国宇宙线观测的重要基地。

在宇宙线研究的摸索中，中日科学家团队走到了一起，这就是中日合作的西藏羊八井ASγ实验，其始建于1989年，由中科院高能物理研究所、中科院国家天文台等国内12个合作单位，以及日本东京大学宇宙线研究所等16个日方合作单位组成。

2002年在日本宇都宫大学获得博士学位的黄晶在推动该项目的合作研究中发挥了至关重要的作用，她2005年7月至2008年5月就曾经担任东京大学宇宙线所中日合作西藏羊八井ASγ实验的物理负责人。2008年回国到中国科学院高能物理研究所工作以后，推动这个项目的研究走向国际最前沿就成了她的最大心愿。

▲黄晶在调试宇宙线探测器（中科院高能物理研究所供图）

黄晶自小就喜欢满天的星斗，在童年时代的夏夜，她时常在福建老家院中乘凉，满天繁星让她对浩瀚的宇宙充满了向往。

刚回国时，黄晶就在中国科学院高能物理所创立自己的实验室。当时只有三间空荡荡的屋子，她只得带着学生找来废弃的桌椅搭建起实验室。探测器组装完成后无法测试，她的学生用自行车驮着仪器在高能物理所里转，好不容易才借了一间实验室，利用周末的时间测试设备。

宇宙线的起源一直是一个十分前沿的科学问题，也被认为是探索宇宙及其演化过程中神秘未知世界的金钥匙。100多年来，尽管与之相关的探索与研究已经产生了5枚诺贝尔奖牌，但超高能宇宙线的起源问题至今未解，因此也被科学界称之为世纪之谜。

通常认为，低于几个PeV能量的宇宙线主要产生于银河系内，并且高能物理学家们已经建立了理论模型。而能将宇宙线加速到 PeV 能量的天体——PeVatron，科学家们认为，候选者包括超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等，但此前一直没有得到观测证实。

在回国开始研究以后，通过高能宇宙线捕捉PeVatron天体源成了黄晶和研究团队的重要目标。宇宙线实验从设计、研制、验证、实施到最后出成果，是一个漫长的过程，往往一个实验就需要坚持二三十年，黄晶只能在不断努力和坚持中静待花开。

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在羊八井发烧快到40度

2012年，黄晶开始担任中日合作西藏 ASγ实验的中方负责人，变得更加忙碌了。但在青藏高原，有时难免有意外发生。有一次，黄晶在羊八井发烧快到40度，且有很强的高原反应，差点儿把命都丢了。现场的卫生所医生急救以后，她又立马投入了观测研究。她希望自己能够尽早发现PeVatron天体源的踪迹。

▲左图:西藏ASgamma实验观测到蟹状星云方向100TeV以上的伽玛射线（中科院高能物理研究所）；右图:美国哈勃望远镜观测的蟹状星云图片（图片来自于NASA）

与质子和电子相比，光子有一个十分显著的特点：它们可以无视磁场，沿着时空允许的最短路径奔向目标。因此，一旦在一个星系内确定了光子的来源方向，通常就可以确定其来源。但是发现PeVatron这样的天体源并不是一件容易的事情。由于绝大多数原始宇宙线都带电荷，它们在传播的过程中会受到银河系磁场的偏转，到达地球时的方向已经不再指向源头了，因此无法通过原始宇宙线的方向来寻找PeVatron。

幸运的是，黄晶表示，原始宇宙线被其源头的PeVatron加速后能量很高，非常简单的一个比喻是，这时它们会像洗澡时突然打开的花洒一样往外冲，有一部分会冲出PeVatron的束缚泄漏出来，而后与天体源附近的分子云发生碰撞，产生中性π介子，随后寿命很短的中性π介子衰变产生伽马射线（这类伽马射线被称为是“强子起源”）。因为这种起源处的伽马射线不带电荷，作为高能光子的它们不受磁场影响，完全沿着直线传播，因此观测到的这种伽马射线来源方向就是该天体源方向，借此可以寻找 PeVatron。

科学界现在比较一致的观点是，判断一个天体源是不是宇宙线PeVatron，主要有三条判据：其一，该天体源发出的伽马射线能量超过100 TeV；其二，伽马射线发射区与分子云的位置一致；其三，能够排除超高能伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性，也就是排除“轻子起源”。

黄晶告诉记者，伽马射线产生于高能电子的方式被叫做“轻子起源”，也被叫做电子起源或者电子源。这种方式科学上已经有很多观测结果，在科学界十分平常。而源自宇宙线的“强子起源”当前依旧还是最为前沿的科学问题。

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灵敏探测装置捕捉伽马射线

工欲善其事必先利其器，现代的前沿基础物理学研究必须要依赖强大而灵敏的装备。2014年黄晶实验团队在原有的宇宙线地表广延大气簇射阵列的地下，增设了创新型的面积达到4500平方米的地下缪子 (μ子)水切伦科夫探测器，用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。而后综合利用表面和地下探测器阵列的数据，可以排除99.92%的宇宙线背景噪声（也就是其干扰因素)，这样就可以大大提高探测伽马射线的灵敏度。

▲西藏羊八井中日合作实验表面阵列（中科院高能物理研究所供图）

如今，灵敏的探测装置终于带来了丰硕的回报。2021年3月，西藏 ASγ实验就曾发布研究成果：首次在银河系中发现距地球2600光年的超新星遗迹“ SNR G106.3+2.7 ”方向存在超过100万亿电子伏特的伽马射线。研究人员发现，这些伽马射线的空间分布与附近分子云的分布接近，而与这个区域内存在的脉冲星及其风云关联较弱。对这些观测结果的一个合理解释是：质子在“SNR G106.3+2.7”附近被激波加速到PeV能区，然后与附近的分子云碰撞反应后产生超高能伽马射线，因为母粒子衰变产生的伽马射线，能量只有其1/10。

▲西藏羊八井ASγ实验地下水切伦科夫探测器（中科院高能物理研究所供图）

黄晶认为，这些伽马射线可能是被“SNR G106.3+2.7”中的激波加速到PeV的宇宙线（主要成分为质子）与附近的分子云碰撞产生的。“SNR G106.3+2.7”因此成为银河系中一个候选的PeVatron，为解开超高能宇宙线的起源之谜打开了重要窗口。相关观测结果已于3月2日在《自然-天文学》正式发表。

此次，黄晶研究团队在银河系中弥散伽马射线的研究中取得更大的突破，他们在银河系银盘观测到了迄今为止最高能量的弥散伽马射线辐射。黄晶表示，不管是从空间分布上论证，还是从伽马能谱特征分析，均表明此次发现的弥散伽马射线是银河系内的宇宙线源产生的。因为ASγ实验在银盘上发现的超高能弥散伽马射线，其能谱特征与PeV能量宇宙线和银河系分子云碰撞产生伽马射线的模型预言相符。

黄晶说，银河系内的原始宇宙线被其源头的PeVatron加速后，会冲出PeVatron的束缚跑得很远，但是因为带有电荷，会发生磁场偏转并被束缚在银河系中打转，它们长时间在银河系中游荡，到处乱飞，由于银河系中银盘位置的分子云最多，它们中的很多就会与分子云发生碰撞，产生弥散、也就是分散开的伽马射线，这些伽马射线就像是PeVatron在银河系内留下的一串串足迹，成为PeVatron存在于银河系的重要证据。

解决高能宇宙线起源问题的下一步该往哪走？黄晶认为，要彻底解决高能宇宙线起源问题，还差“临门一脚”,要完成这“临门一脚”，一是要开发更先进的、创新型的宇宙线立体探测技术，二是要开展6000米超高海拔宇宙线实验，以降低实验观测阈值并获得更高质量的观测数据。希望在寻找PeVatron天体源方面给大家带来更为振奋人心的消息。