高能宇宙線來(lái)自哪里？這是自宇宙線發(fā)現(xiàn)以來(lái)，跨越了整整一個(gè)世紀(jì)的未解之謎。最近，西藏羊八井中日合作實(shí)驗(yàn)（ASγ實(shí)驗(yàn)）的最新成果，讓人們離解開(kāi)這個(gè)世紀(jì)之謎又近了一步。

撰文/記者 李鵬 編輯/陳永杰

新媒體編輯/房永珍

采訪專家

黃晶（中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所粒子天體中心研究員、西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人）

廣袤宇宙中除了繁星，還隱藏一個(gè)秘密。無(wú)數(shù)粒子正以接近光的速度飛馳，它們就是宇宙線。1912年奧地利物理學(xué)家維克多·赫斯意外發(fā)現(xiàn)了宇宙線。這些產(chǎn)生于宇宙深處的高能“子彈”，把人類對(duì)物質(zhì)世界的認(rèn)識(shí)深入到粒子層面，并把無(wú)限小的微觀世界與無(wú)限大的宇觀世界聯(lián)系起來(lái)。

▲西藏asγ實(shí)驗(yàn)隊(duì)在銀河系坐標(biāo)系中觀測(cè)到的uhe漫射γ射線事件的分布。（中科院高能物理研究所供圖）

宇宙線發(fā)現(xiàn)后的100多年來(lái)，與之相關(guān)的研究獲得5次諾貝爾獎(jiǎng)，但人類還不清楚高能宇宙線的主要來(lái)源。什么樣的物理過(guò)程把這些粒子加速到如此高的能量？它們飛往地球的旅途中經(jīng)歷了什么？它們?cè)谟钪嫜莼麟A段起什么作用？世界各國(guó)紛紛投入資金與設(shè)備對(duì)其展開(kāi)研究，中、美、俄、日、德等國(guó)家建有宇宙線觀測(cè)站。其中，中日合作的西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)就是其中之一。

日前，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所宣布：西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到迄今為止最高能量的呈彌散狀態(tài)，也就是向四周擴(kuò)散開(kāi)的伽馬射線輻射，最高能量達(dá)957 TeV(TeV能量單位，1TeV=1萬(wàn)億電子伏特)，接近1PeV（1000萬(wàn)億電子伏特）。

這是國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)“拍電子伏特宇宙線加速器”(PeVatron——被認(rèn)為能把宇宙線加速到 PeV 能量的天體源) 在銀河系中確切存在的證據(jù)。因此本次發(fā)現(xiàn)在國(guó)際物理學(xué)界備受關(guān)注，該結(jié)果也被美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)論為研究高能宇宙線起源“世紀(jì)之謎”的里程碑，并在美國(guó)《物理評(píng)論快報(bào)》上正式發(fā)表。

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項(xiàng)目開(kāi)始時(shí)只有三間空蕩蕩的屋子

西藏羊八井是一個(gè)由造山運(yùn)動(dòng)形成的山間斷陷小盆地，西北的大山擋住了北來(lái)的寒流，只東南方開(kāi)一豁口，一條叫堆龍曲的小河由此流向拉薩，接通了印度洋暖濕氣流入藏的雅魯藏布江—拉薩河通道，從而造成這個(gè)海拔4300米 的盆地內(nèi)氣候溫和、冬少積雪，有常年通暢的交通，地?zé)豳Y源豐富，簡(jiǎn)直就是個(gè)上天恩賜的宇宙線觀測(cè)福地，因此被建成了我國(guó)宇宙線觀測(cè)的重要基地。

在宇宙線研究的摸索中，中日科學(xué)家團(tuán)隊(duì)走到了一起，這就是中日合作的西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)，其始建于1989年，由中科院高能物理研究所、中科院國(guó)家天文臺(tái)等國(guó)內(nèi)12個(gè)合作單位，以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16個(gè)日方合作單位組成。

2002年在日本宇都宮大學(xué)獲得博士學(xué)位的黃晶在推動(dòng)該項(xiàng)目的合作研究中發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，她2005年7月至2008年5月就曾經(jīng)擔(dān)任東京大學(xué)宇宙線所中日合作西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)的物理負(fù)責(zé)人。2008年回國(guó)到中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所工作以后，推動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目的研究走向國(guó)際最前沿就成了她的最大心愿。

▲黃晶在調(diào)試宇宙線探測(cè)器（中科院高能物理研究所供圖）

黃晶自小就喜歡滿天的星斗，在童年時(shí)代的夏夜，她時(shí)常在福建老家院中乘涼，滿天繁星讓她對(duì)浩瀚的宇宙充滿了向往。

剛回國(guó)時(shí)，黃晶就在中國(guó)科學(xué)院高能物理所創(chuàng)立自己的實(shí)驗(yàn)室。當(dāng)時(shí)只有三間空蕩蕩的屋子，她只得帶著學(xué)生找來(lái)廢棄的桌椅搭建起實(shí)驗(yàn)室。探測(cè)器組裝完成后無(wú)法測(cè)試，她的學(xué)生用自行車馱著儀器在高能物理所里轉(zhuǎn)，好不容易才借了一間實(shí)驗(yàn)室，利用周末的時(shí)間測(cè)試設(shè)備。

宇宙線的起源一直是一個(gè)十分前沿的科學(xué)問(wèn)題，也被認(rèn)為是探索宇宙及其演化過(guò)程中神秘未知世界的金鑰匙。100多年來(lái)，盡管與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了5枚諾貝爾獎(jiǎng)牌，但超高能宇宙線的起源問(wèn)題至今未解，因此也被科學(xué)界稱之為世紀(jì)之謎。

通常認(rèn)為，低于幾個(gè)PeV能量的宇宙線主要產(chǎn)生于銀河系內(nèi)，并且高能物理學(xué)家們已經(jīng)建立了理論模型。而能將宇宙線加速到 PeV 能量的天體——PeVatron，科學(xué)家們認(rèn)為，候選者包括超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等，但此前一直沒(méi)有得到觀測(cè)證實(shí)。

在回國(guó)開(kāi)始研究以后，通過(guò)高能宇宙線捕捉PeVatron天體源成了黃晶和研究團(tuán)隊(duì)的重要目標(biāo)。宇宙線實(shí)驗(yàn)從設(shè)計(jì)、研制、驗(yàn)證、實(shí)施到最后出成果，是一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程，往往一個(gè)實(shí)驗(yàn)就需要堅(jiān)持二三十年，黃晶只能在不斷努力和堅(jiān)持中靜待花開(kāi)。

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在羊八井發(fā)燒快到40度

2012年，黃晶開(kāi)始擔(dān)任中日合作西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)的中方負(fù)責(zé)人，變得更加忙碌了。但在青藏高原，有時(shí)難免有意外發(fā)生。有一次，黃晶在羊八井發(fā)燒快到40度，且有很強(qiáng)的高原反應(yīng)，差點(diǎn)兒把命都丟了?，F(xiàn)場(chǎng)的衛(wèi)生所醫(yī)生急救以后，她又立馬投入了觀測(cè)研究。她希望自己能夠盡早發(fā)現(xiàn)PeVatron天體源的蹤跡。

▲左圖:西藏ASgamma實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到蟹狀星云方向100TeV以上的伽瑪射線（中科院高能物理研究所）；右圖:美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的蟹狀星云圖片（圖片來(lái)自于NASA）

與質(zhì)子和電子相比，光子有一個(gè)十分顯著的特點(diǎn)：它們可以無(wú)視磁場(chǎng)，沿著時(shí)空允許的最短路徑奔向目標(biāo)。因此，一旦在一個(gè)星系內(nèi)確定了光子的來(lái)源方向，通常就可以確定其來(lái)源。但是發(fā)現(xiàn)PeVatron這樣的天體源并不是一件容易的事情。由于絕大多數(shù)原始宇宙線都帶電荷，它們?cè)趥鞑サ倪^(guò)程中會(huì)受到銀河系磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時(shí)的方向已經(jīng)不再指向源頭了，因此無(wú)法通過(guò)原始宇宙線的方向來(lái)尋找PeVatron。

幸運(yùn)的是，黃晶表示，原始宇宙線被其源頭的PeVatron加速后能量很高，非常簡(jiǎn)單的一個(gè)比喻是，這時(shí)它們會(huì)像洗澡時(shí)突然打開(kāi)的花灑一樣往外沖，有一部分會(huì)沖出PeVatron的束縛泄漏出來(lái)，而后與天體源附近的分子云發(fā)生碰撞，產(chǎn)生中性π介子，隨后壽命很短的中性π介子衰變產(chǎn)生伽馬射線（這類伽馬射線被稱為是“強(qiáng)子起源”）。因?yàn)檫@種起源處的伽馬射線不帶電荷，作為高能光子的它們不受磁場(chǎng)影響，完全沿著直線傳播，因此觀測(cè)到的這種伽馬射線來(lái)源方向就是該天體源方向，借此可以尋找 PeVatron。

科學(xué)界現(xiàn)在比較一致的觀點(diǎn)是，判斷一個(gè)天體源是不是宇宙線PeVatron，主要有三條判據(jù)：其一，該天體源發(fā)出的伽馬射線能量超過(guò)100 TeV；其二，伽馬射線發(fā)射區(qū)與分子云的位置一致；其三，能夠排除超高能伽馬射線產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性，也就是排除“輕子起源”。

黃晶告訴記者，伽馬射線產(chǎn)生于高能電子的方式被叫做“輕子起源”，也被叫做電子起源或者電子源。這種方式科學(xué)上已經(jīng)有很多觀測(cè)結(jié)果，在科學(xué)界十分平常。而源自宇宙線的“強(qiáng)子起源”當(dāng)前依舊還是最為前沿的科學(xué)問(wèn)題。

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靈敏探測(cè)裝置捕捉伽馬射線

工欲善其事必先利其器，現(xiàn)代的前沿基礎(chǔ)物理學(xué)研究必須要依賴強(qiáng)大而靈敏的裝備。2014年黃晶實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在原有的宇宙線地表廣延大氣簇射陣列的地下，增設(shè)了創(chuàng)新型的面積達(dá)到4500平方米的地下繆子 (μ子)水切倫科夫探測(cè)器，用于探測(cè)宇宙線質(zhì)子與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。而后綜合利用表面和地下探測(cè)器陣列的數(shù)據(jù)，可以排除99.92%的宇宙線背景噪聲（也就是其干擾因素)，這樣就可以大大提高探測(cè)伽馬射線的靈敏度。

▲西藏羊八井中日合作實(shí)驗(yàn)表面陣列（中科院高能物理研究所供圖）

如今，靈敏的探測(cè)裝置終于帶來(lái)了豐碩的回報(bào)。2021年3月，西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)就曾發(fā)布研究成果：首次在銀河系中發(fā)現(xiàn)距地球2600光年的超新星遺跡“ SNR G106.3+2.7 ”方向存在超過(guò)100萬(wàn)億電子伏特的伽馬射線。研究人員發(fā)現(xiàn)，這些伽馬射線的空間分布與附近分子云的分布接近，而與這個(gè)區(qū)域內(nèi)存在的脈沖星及其風(fēng)云關(guān)聯(lián)較弱。對(duì)這些觀測(cè)結(jié)果的一個(gè)合理解釋是：質(zhì)子在“SNR G106.3+2.7”附近被激波加速到PeV能區(qū)，然后與附近的分子云碰撞反應(yīng)后產(chǎn)生超高能伽馬射線，因?yàn)槟噶Ｗ铀プ儺a(chǎn)生的伽馬射線，能量只有其1/10。

▲西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)地下水切倫科夫探測(cè)器（中科院高能物理研究所供圖）

黃晶認(rèn)為，這些伽馬射線可能是被“SNR G106.3+2.7”中的激波加速到PeV的宇宙線（主要成分為質(zhì)子）與附近的分子云碰撞產(chǎn)生的。“SNR G106.3+2.7”因此成為銀河系中一個(gè)候選的PeVatron，為解開(kāi)超高能宇宙線的起源之謎打開(kāi)了重要窗口。相關(guān)觀測(cè)結(jié)果已于3月2日在《自然-天文學(xué)》正式發(fā)表。

此次，黃晶研究團(tuán)隊(duì)在銀河系中彌散伽馬射線的研究中取得更大的突破，他們?cè)阢y河系銀盤(pán)觀測(cè)到了迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射。黃晶表示，不管是從空間分布上論證，還是從伽馬能譜特征分析，均表明此次發(fā)現(xiàn)的彌散伽馬射線是銀河系內(nèi)的宇宙線源產(chǎn)生的。因?yàn)锳Sγ實(shí)驗(yàn)在銀盤(pán)上發(fā)現(xiàn)的超高能彌散伽馬射線，其能譜特征與PeV能量宇宙線和銀河系分子云碰撞產(chǎn)生伽馬射線的模型預(yù)言相符。

黃晶說(shuō)，銀河系內(nèi)的原始宇宙線被其源頭的PeVatron加速后，會(huì)沖出PeVatron的束縛跑得很遠(yuǎn)，但是因?yàn)閹в须姾桑瑫?huì)發(fā)生磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)并被束縛在銀河系中打轉(zhuǎn)，它們長(zhǎng)時(shí)間在銀河系中游蕩，到處亂飛，由于銀河系中銀盤(pán)位置的分子云最多，它們中的很多就會(huì)與分子云發(fā)生碰撞，產(chǎn)生彌散、也就是分散開(kāi)的伽馬射線，這些伽馬射線就像是PeVatron在銀河系內(nèi)留下的一串串足跡，成為PeVatron存在于銀河系的重要證據(jù)。

解決高能宇宙線起源問(wèn)題的下一步該往哪走？黃晶認(rèn)為，要徹底解決高能宇宙線起源問(wèn)題，還差“臨門(mén)一腳”,要完成這“臨門(mén)一腳”，一是要開(kāi)發(fā)更先進(jìn)的、創(chuàng)新型的宇宙線立體探測(cè)技術(shù)，二是要開(kāi)展6000米超高海拔宇宙線實(shí)驗(yàn)，以降低實(shí)驗(yàn)觀測(cè)閾值并獲得更高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。希望在尋找PeVatron天體源方面給大家?guī)?lái)更為振奮人心的消息。

出品：科普中央廚房

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