“宇宙信使”送信來

趙君鵬

1912年的一天，奧地利科學家維克托·赫斯攜帶著一個電離室乘熱氣球升空。他原計劃是進行測定空氣電離度的實驗，結果發現電離室中的電流隨著海拔的升高而變大。他認為，這表明外太空的輻射滲透到了地球大氣層，一種穿透力極強的天外射線導致了電流變化。后來， 有人將這種射線命名為“宇宙射線”，又稱“宇宙線”。維克托·赫斯因為發現和研究宇宙射線而獲得了1936年的諾貝爾物理學獎。

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，是來自外太空的唯一物質樣本，有人形象地稱其為“宇宙隕石”。它的能量大大超過了宇宙中的普通粒子，也遠超人類研制的最高能量對撞機所能產生的粒子。

雖然， 對宇宙線的研究已經進行了一百多年，但是還有許多未解之謎，比如宇宙線來自何方。有科學家認為，宇宙線是宇宙大爆炸之后的幾秒鐘內所產生的，也有科學家認為，宇宙線是從黑洞中逃逸出來的。但這些都只是猜測，缺乏有效的理論和觀測數據支持。

為何人類如此關注宇宙線的來源呢？借用唐朝詩人王維的詩句來說，就是“君自故鄉來，應知故鄉事”。宇宙線可能攜帶著宇宙中重要的信息，比如宇宙起源、天體演化、太陽活動、地球空間環境等，因此科學家稱其為“ 宇宙信使”。如果能找到其來源，以及知曉它形成的過程，就有可能顛覆相對論等物理學理論，重建人類現有的知識體系，讓人類重新認識宇宙。

但是，研究宇宙線的來源難度較大。原因有二：其一，“捕獲”宇宙線很難;其二，宇宙線在旅途中改變了路線。

自從發現宇宙線以來，科學家就迫切地希望“捕獲”它，為此運用了許多方法——在大氣層外用粒子探測衛星、在青藏高原羊八井建設觀測站、在南極冰層下2400米處安裝巨型中微子望遠鏡等，但是收效甚微，因為宇宙線的數量和能量成反比。也就是說，宇宙線能量越高，代表著宇宙活動越劇烈， 但其數量就越稀少，“捕獲”難度越大。

宇宙線大多是帶電的高能粒子，而宇宙中星際磁場比比皆是。受磁場的影響，宇宙線在飛行時會不斷改變方向，所以即使這些高能粒子被科學家“捕獲”，也很難推測出它們“鄉關何處”。但是也有例外，比如宇宙線中的伽馬射線和中微子，不受星際磁場的影響，科學家可以解讀其來源信息。

最近，中國的高海拔宇宙線觀測站就觀測到了超高能伽馬射線。這個探測站位于四川省稻城縣的海子山，是國家重大科技基礎設施，擔負著探索高能宇宙線起源、分析相關信息、研究高能天體演化和暗物質的使命。2020年11月，中國科學家利用該觀測站已經建成二分之一規模的探測裝置，在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器，并記錄到最高1400萬億電子伏特的伽馬光子，這是迄今為止人類觀測到的最高能量光子。這個發現表明：以天鵝座恒星形成區、蟹狀星云等為代表的非熱輻射天體，是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體。這個發現不但能讓人類重新認識銀河系，有助于揭開宇宙線起源的謎底，而且標志著天文學研究將進入“超高能伽馬天文學”時代。

“兒童相見不相識，笑問客從何處來”，面對“天外來客”，人類猶如熱情又好奇的兒童。這些“宇宙信使”所帶來的消息有何玄機？相信隨著研究的不斷深入，科學家們將逐一破解。