天鹅座首次发现最高能量光子,开启“超高能伽马天文学”时代

2021 年 5 月 18 日 0 条评论 1.17k 次阅读 0 人点赞

5月17日,国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO)在银河系内发现大量超高能宇宙加速器,并记录到能量达1.4拍电子伏(PeV,拍=千万亿)的伽马光子,这是人类迄今观测到的最高能量光子,突破了对银河系粒子加速的传统认知,开启了“超高能伽马天文学”时代。

高海拔宇宙线观测站

这些发现和我们日常有什么关系?每时每刻造访地球的宇宙线对人体有害吗?LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻给出了答案。

每时每刻光顾地球的宇宙线对人体有害吗?

宇宙射线

没有。因为超高能的光子非常少,像这次发现的“拍电子伏宇宙加速器(PeVatron)”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱,即便是被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云发射出来的能量超过1 PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个,而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中,非常稀少。

其次,我们的地球有个保护膜,就是大气层。大气层虽然感觉看起来很“稀薄”,但高能量粒子穿透它时会撞到里面的氮、氧等原子核,产生簇射过程,能量会被分解掉。经过分解后,落在人身上的能量就不高了。

我们人类就是在这个环境中演化而来的,这些粒子也是我们的生存环境之一。人类生活的环境大多处于海拔1000米-2000米范围内,被大气层保护得很好,这也是我们能够在地球上世代繁衍的原因。

上述发现对我们的生活有什么影响?

高能量的加速器目前还没直接进入日常生活,但根据其原理建造的缩小版加速器已经变成医疗设备、工业探伤的重要手段。比如在一些大型医院里,加速器作为肿瘤治疗的基本手段,已经进入我们的生活。

我们在东莞建设的散裂中子源,就是一个非常大的加速器。其产生的中子束流,其中一个作用就是用于治疗肿瘤的研究。近日我们高能所开战略研讨会,其中两个报告就谈到,用中子源进行肿瘤治疗,效果很好。高能量的加速器,对生活会越来越重要。

大科学装置的建设,对相关产业带来提升和影响。我们使用的设备几乎都靠自主发明和制造,对相关配套产业提出苛刻的要求。生产制造企业通过和我们的合作,不断改进技术,一些技术达到世界领先水平。比如我们使用的光电倍增管,有半米长,日本的售价卖到了6万至7万元一支。我们帮助南京的一家企业成功突破了这个设备,还用到更好的技术,日本的价格一下降到2万元左右。

宇宙线的研究有什么意义?

宇宙线携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息,研究宇宙线及其起源是人类探索宇宙的重要途径。

人类对粒子物理的认知,从宇宙线发现单个粒子的存在,到现在对整个粒子家族和相互作用标准模型、整个物质结构有一个完整清晰的认识,花了一个世纪的时间,就是靠加速器实现的。

人类建加速器的历史不长,上世纪50年代才有大规模的粒子加速器建设起来,最大的比我们桌子大不了多少。上世纪末有了重大突破,达到27公里周长的规模。

我们纠结的是,现在建加速器的方法,基本是上世纪50年代的方法。要建很大的加速器,只能越做越大。新的现象可能带来新的理论,我们可以基于此次发现探究其源头,学习宇宙加速器的机制。

LHAASO的这些发现,为什么说改变了我们对银河系粒子加速的传统认知?

银河系

大家普遍认为,银河系并不是非常活动剧烈的星系,质量和活跃程度都很中庸。因此得出结论,银河系的天体也不是很活跃,不应该产生能量特别高的粒子。故此推断测量到的高能量粒子产生于其他星系。这是我们对传统银河系的认知。但是LHAASO观测到,银河系里有一些天区,比如天鹅座,充满了非常多的大质量恒星。这些恒星质量大,不稳定,快速死亡,快速产生。这样的恒星形成区产生高能量粒子,就是稀松平常的事儿了。

因此,科学家们发现了能量超过拍电子伏的光子,来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区。证明银河系并不这么温和稳定,只是我们所处的太阳系位置比较边缘,比较稳定。

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