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“悟空”发现宇宙线能谱“拐折”
2019-10-09 08:43:00  来源:新华日报  作者:王梦然  
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  作为外太空的唯一物质样品,宇宙线携带着关于天体演化的重要信息,弄清它的起源、物理机制,将帮助人类走向宇宙更远、更深处。9月28日,“悟空”号国际合作组在国际期刊《科学进展(Science Advances)》上发布有关宇宙线的最新成果——通过对高能段宇宙线质子的精准测量,在约14TeV(TeV为能量单位,即万亿电子伏特)处发现一明显的能谱“拐折”。

  “在此之前,天文界一直认为宇宙线模型更趋于一条平滑的‘直线’。” 暗物质粒子探测卫星(“悟空”号)项目组成员、中科院紫金山天文台研究员袁强说,此次发现表明传统理论模型需要修正,开启了揭示高能宇宙线起源以及加速机制的重要一步。

  宇宙线的精准观,科学界视作难以抵达的“珠峰”

  人类赖以生存的地球无时无刻不在经受来自外太空中高能粒子的轰击,这些粒子包括各种原子核、正负电子、高能伽马射线和中微子等,它们统称为宇宙线。

  宇宙线早在1912年就已被发现,与之相关的研究已经获得数个诺贝尔奖,但迄今为止人类仍未发现其确切起源。中国发射的首颗空间天文卫星——“悟空”号暗物质粒子探测卫星,在寻找暗物质之外,其三大科学目标中第二个便是宇宙线相关物理问题研究。

  “多年以来,高能段宇宙线粒子的精确观测,一直被学界视作难以抵达的‘珠峰’,然而,弄清宇宙线的起源,一定绕不过这座科学大山。”与世界同类探测设备相比,“悟空”具有观测能段范围最宽、粒子鉴别能力最优这两项核心技术优势,为此次研究提供了大量高品质数据。袁强指着观测图谱表示,宇宙线能谱的明显“拐折”正是出现在14TeV这样的高能段处。

  对于宇宙线的直接测量,需要到外太空进行,因为地球大气会阻挡、摧毁这些宇宙线,以至于这些高能粒子到达不了地球。紫金山天文台研究员范一中告诉记者,尽管宇宙线已经发现了100多年,但对其直接探测是在21世纪才陆续取得突破。此前国际上最好的两组直接测量结果,分别是丁肇中先生的AMS-02以及日本科学家领衔的CALET实验。而前者只工作到了1.8TeV,后者2019年的结果只到10TeV。由于宇宙线质子的流量大致以能量的负2.7次方衰减,所以要精确测量更高能段的质子宇宙线能谱,技术难度很大。“‘悟空’号此次发布的数据到了100TeV,相比于AMS-02以及CALET,观测能段分别提高了约50倍和10倍,从实验本身而言表明中国的空间高能粒子探测能力跻身国际最前沿。”他说。

  配合地面实验观,有望验证宇宙线起源的“两种推测”

  科学进展的每一“小步”,都有赖于海量、精确的数据作为支撑。研究者一次次严谨观测、日积月累记录,才得以实现每一次“大胆”的理论推测。

  “此次成果综合了‘悟空’号传回的近30个月的观测数据,研究团队从约45亿个宇宙线事例中挑选出2000万个高能质子。” “悟空”号团队成员岳川告诉记者,团队通过反复、细致的数据分析,最终获得有关宇宙线质子能谱“拐折”的精确能谱结构。每天清晨和傍晚,“悟空”都会路过中国上空,位于密云、喀什、三亚的三个数据接收站启动程序,接收它回传的约16GB/天的原始数据,再通过北京的国家空间科学中心,把数据整理“拼接”之后发给紫金山天文台。而“悟空”号团队就是要从日积月累的海量数据中分析出有价值的科学成果。

  “悟空”号新成果对揭示高能宇宙线的起源以及加速机制具有十分重要的意义。“我们对这个结果给出两种理论上的推测。”袁强表示,14 TeV处能谱“拐折”结构很可能是地球附近个别宇宙线源留下的印记,拐折能量即对应于这个源的加速上限。也有另外一种可能性,即银河系中宇宙线源存在不同种类,它们给出具有差异的宇宙线能谱,其总和最终构成了一个复杂能谱结构。

  无论是哪种推测,“悟空”号的结果无疑都促使科学家进一步思考宇宙线物理的基本问题。“它们究竟起源于何种天体以及被加速的过程具有什么样的特性等,这些问题的最终答案还‘藏’在更多的观测数据中。”袁强提到,未来,揭开宇宙线起源之谜,甚至还需要和地面实验观测的结合,例如四川稻城在建的“高海拔宇宙线观测站”等。

  追随宇宙线,“悟空”再延“服役”期

  追踪暗藏在浩渺星际的“宇宙线”,不仅为人类“仰望星空”打开一扇窗,更为我们“扎根大地”带来更多深远的意义。

  “人们从宇宙线中发现了一大批新粒子,有效地推动了人类对物质基本结构及其相互作用规律的认识。”紫台研究人员表示,“宇宙线”跟宇宙中极端天体现象紧密联系,反映了天体的形成和演化规律;同时也影响着人类生活,比如科学家将种子送到太空经过宇宙线辐照之后,种子发生基因突变,可以筛选出优良的品种;也有研究利用宇宙线缪子(一种穿透力很强的粒子)对金字塔成像,进行考古研究等。

  宇宙线曾经对基本粒子物理学科起到了非常重要的作用,它们和物质的相互作用就类似于人造加速器以及对撞机,但宇宙线可以达到远远高于人造加速器的能量。

  守望宇宙“信使”,探秘更多宇宙线蛛丝马迹,依旧是“悟空”号太空之旅的重要使命。自2015年12月被送入太空后,“悟空”已勤勤恳恳服役近4年,最新数据显示,截至2019年10月1日,已绕地球飞行了21055圈,探测宇宙粒子70.8亿个。未来,这个数据还将继续刷新,“‘悟空’号设计寿命是3年,目前虽已处于超期服役状态,但探测器性能指标非常稳定。”岳川表示,“悟空”“服役”时间很可能将继续延长。“根据目前状态来看,‘悟空’或许可以工作10年以上,采集粒子数预计将达到200亿个。”

  “‘悟空’号卫星的三大科学目标是间接探测暗物质粒子、破解宇宙线起源和传播谜题、研究伽马射线天文现象,我们今后的科学研究仍然重点围绕这三个问题开展。”“悟空”卫星首席科学家常进说。“悟空”巡天3年多以来,阶段性重要成果陆续产出,为人类完善物理认知、揭秘宇宙打开了一扇新的窗户。

标签:宇宙线;粒子;观测
责编:李苏珺
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