在青藏高原上捕捉高能粒子

戴銘玨

高原上的探天聯(lián)盟

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

后人也是遵從這種思路，不僅將天文臺修建在高山上，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。要把探測天空的裝置安置在高處，對中國來說最好的地方就是青藏高原。因為那里海拔5000米以上的地方比比皆是，有著得天獨厚的觀測條件。我國就選在了西藏的羊八井地區(qū)建立了宇宙觀測站。羊八井宇宙線觀測站可不是一個普通的觀測站，它既沒有光學(xué)望遠(yuǎn)鏡可收集可見光，也沒有巨大反射面的射電望遠(yuǎn)鏡觀測紅外線和紫外線，它只觀測高能宇宙射線，是一個宇宙高能粒子觀測站，在世界各地的觀測站中有著自己特殊的地位和作用。

羊八井宇宙線觀測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。那里吸引了多國科學(xué)研究機構(gòu)前來合作交流，如我國與德國合作的亞毫米波射電望遠(yuǎn)鏡是用來探測銀河系的星際分子的，與日本合作的宇宙線研究項目——“中國西藏羊八井廣延大氣簇射陣列”則第一次觀察到一個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)這種離子進入地球大氣層的時候，會與大氣層發(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氣，這里面就包含著氧原子和氮原子，它們的原子核比較堅硬，但是遇到來自宇宙深處的高能粒子時，它們就像/個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“次級粒子”。隨后，這些次級粒子會向周圍散開，轉(zhuǎn)而撞擊更多的其他粒子。這些其他粒子在粉碎以后，還會進一步碰撞更多的粒子。這一系列的撞擊會產(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)的探測設(shè)備，比如探測“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器來接收這些高能粒子。而羊八井宇宙線觀測站采用一些塑料閃爍體來替代大氣層并接收這些粒子。這些塑料閃爍體看起來是半透明狀的，受到高能粒子的擊打后，會產(chǎn)生光電反應(yīng)，從中可以觀察到粒子的運動方向和能量狀態(tài)，從而進一步反推判斷這些粒子的性質(zhì)。

單個塑料閃爍體的大小相當(dāng)于一個箱子。若想指望它來捕獲高能粒子，可能十幾年也捕獲不到一個。如果能夠增加接收面積，捕獲的概率就會大大增加。因此，羊八井宇宙線觀測站采用了排兵布陣的方式，建立起一個龐大的塑料閃爍體單元陣列。1990年，羊八井宇宙線觀測站建成了只有5個單元的一期工程，后經(jīng)多次改造，羊八井宇宙線觀測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越龐大。2014年，羊八井宇宙線觀測站的閃爍體單元陣列達(dá)到了前所未有的6.5萬平方米。

為了相互對照，羊八井宇宙線觀測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實驗陣列”。它們一個在地上，一個在地下，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實驗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產(chǎn)生，但如果產(chǎn)生便會如暴風(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的伽馬射線的一系列性質(zhì)，比如密度、方向和快慢等。

來自蟹狀星云的高能粒子

在觀測的早期，科學(xué)家也曾探測到高能粒子，但囿于當(dāng)時探測設(shè)備的靈敏度不夠高，獲取的各種數(shù)據(jù)十分模糊。經(jīng)過改擴建后的設(shè)備實現(xiàn)了優(yōu)勢互補，它們在2019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有多高，科學(xué)家還說不上來，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丫實驗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)家大開眼界。

這個最高能量的粒子來源于蟹狀星云，在長達(dá)3年的時間內(nèi)，羊八井AS丫實驗陣列接收到了24次來自蟹狀星云的伽馬射線，這是高度可靠的事實。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)的宇宙來到地球的時候，會受到銀河系磁場的影響，方向會發(fā)生改變，我們也就無法判斷它究竟來自于何方，但伽馬射線粒子則不同，它不帶電，也就不受磁場影響，它會一直向前奔跑。因此從接收到的信號就可以判定，它是來自于蟹狀星云。

羊八井宇宙觀測站

蟹狀星云是一個超新星爆發(fā)的殘骸。1000多年前的宋朝，中國的天文學(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)波段被觀測到，而且在其他所有波段都可以接收到它的信號。如今，蟹狀星云再一次與我國的天文學(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實驗陣列捕獲到了最高能量的粒子。

當(dāng)然，這并不是羊八井ASy實驗陣列唯一的工作。它是一個捕獲高能粒子的“高原哨兵”，通過研究高能粒子，科學(xué)家就能進一步發(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。對于這些重大事件，羊八井ASy實驗陣列都能精確地發(fā)出警告。

ASgamma探測單元

羊八井ASy實驗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有奇效。今后，我國還將在四川稻城建設(shè)大面積、高海拔的宇宙線觀測站（LHAASO），目前部分設(shè)備已經(jīng)建成并投入觀測運行，該觀測站全面建成后可能會捕捉到更高能級的宇宙粒子。