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宇宙大爆炸的余烬

文章作者:管理一号 | 2019-07-08
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在不远的将来,我们将会看到更多更高能的光子漂流到我们地球。

光,是我们无比了解的概念。物理学家奉告我们,光是由许多光子组成的。比如我们眼睛可以看到的的可见光就是可见光光子组成的。国际中还有各种不可见的“光”,它们也由能量各异的光子构成。那么,能量最高的光子可以高能到什么程度呢?

最近,中日合作的羊八井ASgamma实验的勘探器勘探到来自蟹状星云方向的24个能量逾越100万亿电子伏(100TeV)的超高能光子,其间能量最高的那个光子达到了450万亿电子伏(450TeV),是此前最高能量记载(75TeV)的6倍,是可见光光子能量的百万亿倍。相关作用对应的论文现已被物理领域顶尖期刊《物理议论快报》所接受,即将于七月下旬作为亮点论文出版[1]。 

这些超高能光子从何而来?研讨论文的作者们认为它们或许源于陈腐而低能的国际微波布景辐射[2]。那么,什么是微波布景辐射?它们怎样变为超高能光子?它们又是怎样被勘探到的?这篇文章以这批光子为主角,叙说它们奇幻漂流的终身。

国际大爆炸的余烬

大约138亿年前,我们的国际比沙子还小得多,全部物质挤压在极点小、极点热的狭小区域内。接着,国际“爆炸”,我们以这个时刻的国际年岁为零。爆炸后的国际急剧胀大。在国际年岁从零到38万年之间的阶段,国际中许多光子与其他粒子剧烈磕碰,阻遏中性原子构成——这些高能光子会把电子与原子核离散。

在国际年岁为38万年时,因为国际的胀大,那些高能光子的能量现已降到足够低,不能持续离散原子,它们终究一次与电子发生磕碰后,就成为国际中散落的布景光子,电子也总算可以安安稳稳地与原子核结合为中性原子,国际也总算从一团迷雾相同的情况变为透明情况。

这个时刻,那些刚成为国际布景的光子的温度大约是绝对温度3000多度,宣告暗红色的光。这是年轻时的国际的颜色。跟着国际持续胀大,这些光子的能量不断下降,到138亿年之后的今天,这些布景光子的温度现已只需绝对温度2.7度,相当于零下270摄氏度,比我们的南极还冷得多,对应的波长在微波波段,因此被称为“微波布景辐射”。

它们中的一部分在1964年被贝尔实验室的工程师威尔逊和彭齐亚斯意外发现,证明了国际大爆炸理论的正确性,二人也因此获得了1978年的诺贝尔物理学奖。下面,我们将微波布景辐射光子简称为“布景光子”。

图:WMAP 卫星9年勘探得到的微波布景辐射分布图,微波布景辐射没有颜色,图中颜色为伪色 | NASA / WMAP Science Team

在这漫长的138亿年,这些布景光子在能量下降的一同,不断漂流。但在我们叙说这些布景光子进一步漂流的故事前,我们还必须先叙说一个看似与它无关,实际上却密切相关的故事:超新星爆发。

恒星的壮烈去世:超新星爆发

距离现在大约1千万年前,位于地球金牛座方向的一个区域中的一团巨大的氢分子云总算点着了自己的中心,成为了一颗质量在8到10个太阳质量那么大的恒星,这颗恒星与地球的距离大约为6500光年,1光年约等于10万亿千米,因此这个距离约为6亿亿千米。

通过大约1千万年的演化,这颗恒星内部不再发生能量,巨大的引力占有优势,星体向内剧烈缩短,将中心紧缩为一个几乎完全由中子构成的细密星体——中子星,恒星的其他部分物质砸在巩固的中心上,然后向外反弹,中心天体宣告的中微子帮助反弹物质向外爆炸,构成了绚丽的超新星。

超新星爆发后宣告的剧烈光芒向外传达,通过大约6500年后,抵达地球上空,此时是公元1054年,我国正处于宋仁宗至和元年。北宋的地舆官员发现天空遽然出现了一颗新的星星,这就是出名的“天关客星”,也被称为“超新星1054”(SN 1054)。这颗新的星星持续近两年可以在夜空看到,以至于第二年,即宋仁宗至和二年,侍御史赵抃还上奏议:“臣伏见自上一年五月已来,妖星遂见,仅及周稔,至今光耀未退。”不仅如此,这颗超新星有23天可以在白日看到。[3]

图:《历代名臣奏议》中赵抃对1054年被观测到的超新星的描绘。

出名的梅西耶星表中的第一个天体M1,因其形状像一只螃蟹,因此也被称为“蟹状星云”。1921年,有两位地舆学家先后指出蟹状星云正在胀大,年岁大约为900年,地舆学家伦德马克(Knut Lundmark,1889--1958)根据这些结论,结合我国古代典籍记载,猜测:蟹状星云就是超新星1054的遗址。此后,哈勃(Edwin Hubble,1889-1953)通过观测与核算,证明了这个结论。

1967年,贝尔(Jocelyn Bell Burnell,1943-)初度观测到到脉冲星之后,人们很快在1968年发现了蟹状星云中心的脉冲星,这就是超新星1054遗留下来的中子星,这颗中子星每秒自转30次,并不断将自身的转动能转化为辐射,发生的“脉冲星风”照亮蟹状星云,使后者成为一个“脉冲星风云”。

图:哈勃太空望远镜(HST)摄影的蟹状星云的图像 | NASA / ESA, HST

上图为哈勃太空望远镜(HST)于1999年到2000年摄影的蟹状星云的多色图,它的半径现已扩展到6光年,即大约60万亿千米。因为其标准太大,HST分24次摄影了不同部分,然后把24张图拼接为一张图。

超新星遗址:巨大的加速器

全部的超新星在爆发几年后,都将成为“超新星遗址”。超新星遗址里有许多弥散的超新星物质。这些物质内部的剧烈磕碰或许中心遗留的中子星的剧烈辐射会发生剧烈的冲击波,这些冲击波将超新星遗址里面的质子和电子加速到极高的速度——极点靠近光的速度。因此,超新星遗址自身就是无比巨大的加速器。

超新星1054也不破例,它在爆发几年后也初步成为超新星遗址,即上面说的蟹状星云。看似人畜无害的蟹状星云里,也有剧烈的冲击波,这些冲击波将许多质子和电子加速到极点高速、极点高能的情况,四散开来。

极点高能电子与布景光子的磕碰

极点高能的电子四散开来之后,其间一部分朝着地球的方向飞来。这些极点高能电子执政着地球运动的进程中,充满到超新星1054附近的低能布景光子们等到了机遇,它们经常被高能电子碰击成高能光子。而我们这个故事中的主角们就是这群光子中的一部分。

在某个时期,被超新星遗址加速的一批超高能电子碰击了周围的那些低能布景光子,将许多能量传递给那些低能布景光子,使得这些漂流的布景光子的能量从10000分之1电子伏左右提升到100万亿电子伏以上,最高的达到了450万亿电子伏,能量提高到原本的大约4亿亿倍左右,是可见光光子能量的百万亿倍。

图:低能光子与高能电子磕碰,获得巨大能量 | 王善钦

这个进程就如同一个身上只需1元钱的流浪者遽然被给予几亿亿元钱,可谓一夜暴富。这些原本低能的光子从此成为披坚执锐的超高能光子,朝着地球方向奔袭而来。通过大约6500年,它们总算抵达地球。

光子与地球大气的磕碰:大气簇射

地球上空有一层厚厚的大气,大气里有许多的各类气体分子。从太空中袭来的各类国际线与大气分子中的原子核磕碰,力气被大大削弱。因此使得我们免受高能国际线的损害。 

那个超高能光子也在进入大气之后与大气分子中的粒子相互作用,发生了其他高能粒子,这些高能粒子又与周围的大气分子中的粒子相互作用,发生了更多其他粒子,这个连锁反应会发生多次,因此被称为“大气簇射”,其结果是一个高能粒子激宣告许多粒子。

图:高能粒子在大气中激起簇射的示意图 | 王善钦

由这些超高能光子激宣告的许多带电粒子中的一部分进入了位于西藏的羊八井ASgamma实验的勘探器阵列。这个阵列的中心是水切伦科夫勘探器。什么是水切伦科夫勘探器?它的原理是什么?

切伦科夫辐射与水切伦科夫勘探器

1934年,切伦科夫(Pavel Cherenkov, 1904-1990)研讨放射性元素释放出的射线穿过液体的现象,发现液体宣告蓝光,通过细心分析,他承认这暗淡的蓝光并不是荧光。这个辐射后来被称为切伦科夫辐射。1937年,切伦科夫的伙伴弗兰克(Ilya Frank, 1908-1990)和塔姆(Igor  Tamm, 1895-1971)说明切伦科夫辐射的成因:带电粒子在液体中的速度逾越了光在液体中的速度,因此宣告了蓝光为主的辐射。

根据爱因斯坦的相对论,真空中,任何物质的速度都不可能逾越光速。不过,在介质中,粒子的速度可以逾越介质中的光速。比如,光在真空中的速度是每秒30万千米,在水中,光的速度是每秒22.5万千米;假设带电粒子在水中的速度逾越每秒22.5万千米,这个高速粒子就会宣告切伦科夫辐射。因为发现和说明了切伦科夫辐射,切伦科夫、弗兰克和塔姆同享了1958年的诺贝尔物理学奖。

实际上,这一现象早在1888到1889年就被英国物理学家海维塞德(Oliver Heaviside, 1850-1925)在理论上所预言;1904年,德国物理学家索末菲(Arnold Sommerfeld, 1868-1951)也预言了这个现象。但因为1905年诞生的相对论认为物质运动速度不会逾越真空中的光速,这两人的作业灵敏被忘掉,直到20世纪70年代才被人从头发掘出来。事实上,爱因斯坦的相对论只是针对真空,不针对介质。观测方面,1910年,玛丽·居里(即居里夫人,Marie Curie,1867-1934)发现高浓度的镭溶液宣告了暗淡的蓝光,但没有进一步查询这类现象。

切伦科夫辐射被发现并被说明后,很快就被用来规划勘探器。假设勘探器的介质用的是纯水,就是水切伦科夫勘探器;同理,有重水切伦科夫勘探器、冰切伦科夫勘探器,甚至还有空气切伦科夫勘探器。下图为位于美国俄勒冈州里德学院(Reed College)的水下放射性反应堆的堆芯,放射性元素衰变释放出的高能电子在水中络绎,速度逾越水中的光速,宣告幽蓝的切伦科夫光。

图:位于里德学院的供科研运用的水下核反应堆的堆芯附近的蓝色切伦科夫光 | United States Nuclear Regulatory Commission

西藏羊八井ASgamma实验的勘探器的勘探

位于西藏海拔4300米处的羊八井的勘探器由多个装满高度纯净水的切伦科夫勘探器组成,每个勘探器里放着一种被称为“光电倍增管”的仪器。这个项目是中日合作项目,选择日本作为合作方,是因为日本在水切伦科夫勘探器方面的技术国际领先,出名的神冈勘探器与其晋级版——超级神冈勘探器都是水切伦科夫勘探器,在中微子科学领域做出了多项重要贡献,于2002年与2015年两次获得了诺贝尔物理学奖。

羊八井项目分别由我国科学院高能物理研讨所和日本东京大学国际线研讨所担任中日两头的事务,于1990年结束第一期,此后多次晋级。2014年,制作成位于地下的水切伦科夫勘探器。这个新制作的地下勘探器使羊八井实验组成为勘探超高能国际线方面最活络的小组。

那些漂流的超高能光子激宣告的许多高速、高能带电粒子穿过羊八井实验组安排在地下的水切伦科夫勘探器后,发生切伦科夫光,这些光打到光电倍增管,后者将信号扩展,传输到终端,勘探结束。

至此,这群漂流的光子及其能量的“继承者”们的奇幻旅程总算结束。

在勘探到信号之后,中日科学家通过精确的核算与分析,反推出这些发生辐射的粒子的源头是一批超高能光子,其间24个能量逾越100万亿电子伏,逾越此前的勘探记载;其间,能量最高的达到了450万亿电子伏,是此前被勘探到的最高能光子的能量的6倍。

LHAASO:更强的勘探器

2018年6月,我国初步制作位于四川海拔4410米的稻城、占地1.36平方千米的“大面积高海拔国际线观测站”(LHAASO),估量耗资12亿元,现在现已建成一部分。LHAASO由多个广角空气切伦科夫勘探器、上千个地下的水切伦科夫勘探器、占地近8万平方米的地上的水切伦科夫勘探器和几千个闪烁液勘探器构成,可以用来勘探三个能量范围内的伽马射线和“国际线”。这个项目的活络度比羊八井勘探器的活络度高至少几十倍,将对超高能带电粒子和超高能光子的研讨发生更深远影响。

在不远的将来,我们将会看到更多更高能的光子漂流到我们地球。

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