在青藏高原上捕捉高能粒子

戴銘玨

高原上的探天聯(lián)盟

天空中的點(diǎn)點(diǎn)繁星總能引起世人無(wú)限的遐想。人們想知道那些星星離我們有多遠(yuǎn)？它們?yōu)槭裁磿?huì)發(fā)光？為此，古人修筑了許多高臺(tái)，比如通天臺(tái)、鹿臺(tái)、章華臺(tái)和孔雀臺(tái)等。他們認(rèn)為離天空越近，就越容易窺見(jiàn)星星的秘密。

后人也是遵從這種思路，不僅將天文臺(tái)修建在高山上，而且直接向外太空發(fā)射了很多望遠(yuǎn)鏡，去太空觀看星星。要把探測(cè)天空的裝置安置在高處，對(duì)中國(guó)來(lái)說(shuō)最好的地方就是青藏高原。因?yàn)槟抢锖０?000米以上的地方比比皆是，有著得天獨(dú)厚的觀測(cè)條件。我國(guó)就選在了西藏的羊八井地區(qū)建立了宇宙觀測(cè)站。羊八井宇宙線觀測(cè)站可不是一個(gè)普通的觀測(cè)站，它既沒(méi)有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可收集可見(jiàn)光，也沒(méi)有巨大反射面的射電望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)紅外線和紫外線，它只觀測(cè)高能宇宙射線，是一個(gè)宇宙高能粒子觀測(cè)站，在世界各地的觀測(cè)站中有著自己特殊的地位和作用。

羊八井宇宙線觀測(cè)站位于西藏念青唐古拉山腳、海拔4310米，其氣象條件很適合宇宙探測(cè)。那里吸引了多國(guó)科學(xué)研究機(jī)構(gòu)前來(lái)合作交流，如我國(guó)與德國(guó)合作的亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡是用來(lái)探測(cè)銀河系的星際分子的，與日本合作的宇宙線研究項(xiàng)目——“中國(guó)西藏羊八井廣延大氣簇射陣列”則第一次觀察到一個(gè)超高能伽瑪射線天體。

排兵布陣捕捉高能粒子

高能粒子含有的能量比光子要高得多，光學(xué)望遠(yuǎn)鏡通常接收不到。它們具有一種奇怪的特性，當(dāng)這種離子進(jìn)入地球大氣層的時(shí)候，會(huì)與大氣層發(fā)生反應(yīng)。

廣延大氣簇射示意圖

地球的大氣層中有氧氣和氮?dú)猓@里面就包含著氧原子和氮原子，它們的原子核比較堅(jiān)硬，但是遇到來(lái)自宇宙深處的高能粒子時(shí)，它們就像/個(gè)土坷垃那樣瞬間土崩瓦解。高能粒子就像一顆高速飛行的子彈，能立刻將它們擊得粉碎，這些碎片被稱為“次級(jí)粒子”。隨后，這些次級(jí)粒子會(huì)向周圍散開(kāi)，轉(zhuǎn)而撞擊更多的其他粒子。這些其他粒子在粉碎以后，還會(huì)進(jìn)一步碰撞更多的粒子。這一系列的撞擊會(huì)產(chǎn)生一種現(xiàn)象，就是在地球大氣中出現(xiàn)閃光，這種閃光被稱為“廣延大氣簇射”。

利用這種原理，科學(xué)家就可以建造相應(yīng)的探測(cè)設(shè)備，比如探測(cè)“廣延大氣簇射”的是切倫科夫望遠(yuǎn)鏡，也可以在水池中建造一些探測(cè)器來(lái)接收這些高能粒子。而羊八井宇宙線觀測(cè)站采用一些塑料閃爍體來(lái)替代大氣層并接收這些粒子。這些塑料閃爍體看起來(lái)是半透明狀的，受到高能粒子的擊打后，會(huì)產(chǎn)生光電反應(yīng)，從中可以觀察到粒子的運(yùn)動(dòng)方向和能量狀態(tài)，從而進(jìn)一步反推判斷這些粒子的性質(zhì)。

單個(gè)塑料閃爍體的大小相當(dāng)于一個(gè)箱子。若想指望它來(lái)捕獲高能粒子，可能十幾年也捕獲不到一個(gè)。如果能夠增加接收面積，捕獲的概率就會(huì)大大增加。因此，羊八井宇宙線觀測(cè)站采用了排兵布陣的方式，建立起一個(gè)龐大的塑料閃爍體單元陣列。1990年，羊八井宇宙線觀測(cè)站建成了只有5個(gè)單元的一期工程，后經(jīng)多次改造，羊八井宇宙線觀測(cè)站不斷增加了塑料閃爍體的數(shù)量，單元陣列的占地面積也隨之越來(lái)越龐大。2014年，羊八井宇宙線觀測(cè)站的閃爍體單元陣列達(dá)到了前所未有的6.5萬(wàn)平方米。

為了相互對(duì)照，羊八井宇宙線觀測(cè)站還在地下建造了另一種原理的接收裝置，這就是有效面積為4200平方米的地下繆子水切倫科夫探測(cè)器陣列，它與塑料閃爍體單元陣列組合在一起后被稱為“羊八井ASy實(shí)驗(yàn)陣列”。它們一個(gè)在地上，一個(gè)在地下，共同編織成一張?zhí)炝_地網(wǎng)。它們之間有著明確的分工，地下繆子水切倫科夫探測(cè)器陣列可以判斷出不屬于高能粒子的成分，讓塑料閃爍體陣列可以專心地接收高能量的伽馬射線輻射。

羊八井ASy實(shí)驗(yàn)陣列靜靜地屹立在青藏高原上，等待著伽馬射線的爆發(fā)。伽馬射線可能一直不會(huì)產(chǎn)生，但如果產(chǎn)生便會(huì)如暴風(fēng)雨般地突然出現(xiàn)一陣子射束，前后不到一秒。它可以記錄宇宙中射來(lái)的伽馬射線的一系列性質(zhì)，比如密度、方向和快慢等。

來(lái)自蟹狀星云的高能粒子

在觀測(cè)的早期，科學(xué)家也曾探測(cè)到高能粒子，但囿于當(dāng)時(shí)探測(cè)設(shè)備的靈敏度不夠高，獲取的各種數(shù)據(jù)十分模糊。經(jīng)過(guò)改擴(kuò)建后的設(shè)備實(shí)現(xiàn)了優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，它們?cè)?019年取得了很大的成就。

宇宙中最高能量的粒子就數(shù)伽馬射線。伽馬射線包含的能量會(huì)有多高，科學(xué)家還說(shuō)不上來(lái)，只知道以前接收到的最高能量的伽馬射線粒子有75TeV，但是，羊八井AS丫實(shí)驗(yàn)陣列接收到的伽馬射線能量最高達(dá)到450TeV，這比己知的能量高6倍，這讓天文學(xué)家大開(kāi)眼界。

這個(gè)最高能量的粒子來(lái)源于蟹狀星云，在長(zhǎng)達(dá)3年的時(shí)間內(nèi)，羊八井AS丫實(shí)驗(yàn)陣列接收到了24次來(lái)自蟹狀星云的伽馬射線，這是高度可靠的事實(shí)。而且，每一次接收到的粒子包含的能量都在lOOTeV以上。

一般的粒子從遙遠(yuǎn)的宇宙來(lái)到地球的時(shí)候，會(huì)受到銀河系磁場(chǎng)的影響，方向會(huì)發(fā)生改變，我們也就無(wú)法判斷它究竟來(lái)自于何方，但伽馬射線粒子則不同，它不帶電，也就不受磁場(chǎng)影響，它會(huì)一直向前奔跑。因此從接收到的信號(hào)就可以判定，它是來(lái)自于蟹狀星云。

羊八井宇宙觀測(cè)站

蟹狀星云是一個(gè)超新星爆發(fā)的殘骸。1000多年前的宋朝，中國(guó)的天文學(xué)家記錄了一次超新星爆發(fā)，這次爆發(fā)后留下的殘骸就是蟹狀星云，目前這個(gè)大名鼎鼎的蟹狀星云距離地球6500光年左右。

這些高能粒子表明，蟹狀星云是銀河系內(nèi)天然的高能粒子加速器。與目前世界上最大的人工電子加速器相比，蟹狀星云的電子加速能力至少高了上萬(wàn)倍。正是蟹狀星云中的一顆脈沖星加速了高能粒子。當(dāng)年恒星爆發(fā)之后，便產(chǎn)生了這顆脈沖星，它正以0. 033秒自轉(zhuǎn)一圈的高速旋轉(zhuǎn)著。它不僅能在光學(xué)波段被觀測(cè)到，而且在其他所有波段都可以接收到它的信號(hào)。如今，蟹狀星云再一次與我國(guó)的天文學(xué)事業(yè)聯(lián)系在了一起，正是位于青藏高原上的羊八井ASy實(shí)驗(yàn)陣列捕獲到了最高能量的粒子。

當(dāng)然，這并不是羊八井ASy實(shí)驗(yàn)陣列唯一的工作。它是一個(gè)捕獲高能粒子的“高原哨兵”，通過(guò)研究高能粒子，科學(xué)家就能進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)宇宙正在發(fā)生的重大事件。伽馬射線產(chǎn)坐的原因有很多，但可以肯定的是，只要發(fā)生伽馬射線暴，那一定是宇宙中正在發(fā)生重大事件。要么是l顆星球的消亡，要么是2顆星球的撞擊。對(duì)于這些重大事件，羊八井ASy實(shí)驗(yàn)陣列都能精確地發(fā)出警告。

ASgamma探測(cè)單元

羊八井ASy實(shí)驗(yàn)陣列所取得的成果表明，在高原上捕獲宇宙深處的高能粒子確實(shí)有奇效。今后，我國(guó)還將在四川稻城建設(shè)大面積、高海拔的宇宙線觀測(cè)站（LHAASO），目前部分設(shè)備已經(jīng)建成并投入觀測(cè)運(yùn)行，該觀測(cè)站全面建成后可能會(huì)捕捉到更高能級(jí)的宇宙粒子。