著名天體物理學(xué)家Felix Aharonian教授回答公眾關(guān)注的問(wèn)題

    發(fā)布時(shí)間:2021-02-24

      Q1.什么是宇宙線(xiàn)?宇宙線(xiàn)的起源被稱(chēng)為世紀(jì)之謎,其科學(xué)意義是什么?

      A: 著名的宇宙線(xiàn)物理學(xué)家布如諾-羅西把宇宙線(xiàn)描述為“穩(wěn)定持續(xù)不斷的帶電粒子雨,以近乎光的速度落到地球上來(lái),每時(shí)每刻來(lái)自所有方向”。更準(zhǔn)確一點(diǎn):宇宙線(xiàn)是發(fā)源于太陽(yáng)系外的相對(duì)論性粒子——質(zhì)子、原子核、電子。

      這個(gè)稱(chēng)之為“宇宙線(xiàn)天體物理學(xué)”領(lǐng)域的核心問(wèn)題曾經(jīng)是并繼續(xù)是尋找加速這些粒子至相對(duì)論性高能量的潛在天體。由于混亂的星際和星系際磁場(chǎng)對(duì)帶電的粒子的折射效應(yīng),它們出發(fā)地的方向信息已經(jīng)徹底丟失了,在地球上,我們就探測(cè)到(幾乎)各向同性的宇宙線(xiàn)強(qiáng)度,而它們可能是來(lái)自于大量的銀河內(nèi)甚至于銀河系外的源。這些源天體有著不同的起源機(jī)制并且可以用完全不同的物理參數(shù)來(lái)描述,諸如能量budget、時(shí)間歷史、加速機(jī)制等。這項(xiàng)任務(wù),就好比用如熬了上百萬(wàn)年的“一鍋粥”一般的混亂現(xiàn)象的少量觀測(cè)事實(shí)(能譜、成分和對(duì)各向同性的微小偏離)來(lái)尋找它們的源頭,如果不是完全的無(wú)望,至少也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

      Q2. 伽馬射線(xiàn)相較于宇宙線(xiàn)中的其他粒子,有什么探測(cè)方面的優(yōu)勢(shì)和特殊意義?

      A: 只有中性和穩(wěn)定的粒子才能提供宇宙線(xiàn)加速器位置的信息。幸運(yùn)的是,大自然對(duì)我們是仁慈的,提供了這種粒子——伽馬射線(xiàn)(“相對(duì)論性”光子)和中微子。兩種粒子都能在宇宙線(xiàn)加速器的內(nèi)部或者它的周?chē)ㄟ^(guò)宇宙線(xiàn)與周邊的物質(zhì)的相互作用有效地產(chǎn)生,因此就攜帶了關(guān)于這些宇宙線(xiàn)“工廠”位置的唯一信息。

      更重要的是,因?yàn)閺牧W游锢砗土孔与妱?dòng)力學(xué)我們知道關(guān)于伽馬射線(xiàn)和中微子產(chǎn)生幾乎所有的細(xì)節(jié),因此基于測(cè)量到的伽馬射線(xiàn)和中微子的能譜和時(shí)間信息,我們可以重建出這些加速器的許多詳細(xì)特征。

      作為高能現(xiàn)象的信使,中微子的作用與伽馬射線(xiàn)是類(lèi)似的,但也有本質(zhì)上的差別。中微子只在強(qiáng)相互作用過(guò)程中產(chǎn)生,同時(shí),與伽馬射線(xiàn)不同的是,中微子只與周?chē)奈镔|(zhì)、磁場(chǎng)和輻射場(chǎng)發(fā)生非常微弱的相互作用。因此,它們攜帶了高能過(guò)程發(fā)生的某些“隱秘”區(qū)域的信息,而這些區(qū)域?qū)τ谫ゑR射線(xiàn)而言是不透明的。

      Q3. 超高能伽馬天文窗口的科學(xué)意義和重要性是什么?

      A: 在過(guò)去的20年里,我們見(jiàn)證了伽馬天文革命性的進(jìn)展。伽馬射線(xiàn)的能量范圍從低能(或者叫MeV;1MeV=1兆電子伏特)和高能(或者叫GeV;1GeV=1京電子伏特)能區(qū)到甚高能(或者叫TeV;1TeV=1太電子伏特)和超高能(或者叫PeV;1PeV=1拍電子伏特)能區(qū)的躍變。對(duì)伽馬射線(xiàn)的研究需要特別設(shè)計(jì)的探測(cè)器來(lái)精確地測(cè)量它們的到達(dá)方向和能量。低能和高能區(qū)是用空間探測(cè)器,而用地基的探測(cè)裝置能夠有效地開(kāi)展甚高能和超高能區(qū)的探測(cè)。

      當(dāng)下,我們關(guān)于MeV/GeV伽馬天空的知識(shí),主要來(lái)自于Fermi衛(wèi)星的LAT(譯者:大面積望遠(yuǎn)鏡)的測(cè)量結(jié)果。用所謂對(duì)產(chǎn)生追蹤技術(shù),大部分發(fā)射前所進(jìn)行的優(yōu)化得到的發(fā)現(xiàn)數(shù)千伽馬射線(xiàn)源的預(yù)期都得到了證實(shí)。

      令人更加印象深刻的是在TeV能區(qū)取得的成功。拜HESS、MAGIC 和VERITAS實(shí)驗(yàn)采用的立體成像空氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡(IACT)技術(shù)所賜,這個(gè)領(lǐng)域迅速發(fā)展成為符合正規(guī)的天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的觀測(cè)。過(guò)去的10~15年的觀測(cè)已經(jīng)產(chǎn)生了許多重要的發(fā)現(xiàn),而這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展離其飽和狀態(tài)還相去甚遠(yuǎn)。作為下一代伽馬射線(xiàn)探測(cè)器,切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列(CTA)的設(shè)計(jì),正是沖著再提高探測(cè)靈敏度10倍和擴(kuò)展到從10GeV到100TeV的能量覆蓋度這一雄心勃勃的計(jì)劃而來(lái)的。IACT陣列用來(lái)探測(cè)點(diǎn)狀或者輕度擴(kuò)展的伽馬射線(xiàn)源。

      另一方面,IACT陣列技術(shù)在搜尋延展的結(jié)構(gòu)和孤立的或者暫現(xiàn)的伽馬射線(xiàn)現(xiàn)象存在局限性。在這方面,基于直接測(cè)量廣延空氣簇射(EAS)中次級(jí)粒子的陣列探測(cè)技術(shù),就是一種互補(bǔ)的探測(cè)方法,比如(譯者:西藏羊八井的)ARGO(譯者:ARGO-YBJ)、(譯者:ASγ)和水切倫科夫探測(cè)器HAWC等實(shí)驗(yàn)。這種技術(shù)可以延申到100TeV以上的能區(qū)。LHAASO的觀測(cè)結(jié)果,令人信服地展現(xiàn)了這項(xiàng)技術(shù)的潛力,并且打開(kāi)了宇宙電磁能譜上新的超高能(UHE)窗口。

      Q4. 開(kāi)啟一個(gè)新的天文窗口的標(biāo)志是什么?LHAASO又是如何打開(kāi)超高能伽馬天文這一最高能量的天文窗口的?

      A: 兩個(gè)事實(shí)說(shuō)明了LHAASO巨大的成功:

      1) 集巨大探測(cè)面積、超強(qiáng)伽馬/質(zhì)子區(qū)分能力、很好的能量分辨率和適度的角度分辨率于一身的獨(dú)特性能。其巨大的探測(cè)面積(1平方千米)滿(mǎn)足伽馬光子對(duì)統(tǒng)計(jì)性的需求,獨(dú)特的背景宇宙線(xiàn)質(zhì)子和核的排除能力(萬(wàn)分之一到十萬(wàn)分之一剩余率),結(jié)合不錯(cuò)的能量分辨率(<20%)適度的角度分辨率(0.2°到0.3°),足以在UHE能區(qū)(>100TeV)開(kāi)展深度的形態(tài)學(xué)和譜學(xué)研究。

      2) 大量存在的UHE伽馬射線(xiàn)源,展現(xiàn)了其天文學(xué)類(lèi)型多樣性。

      上述要點(diǎn)中的第一條是長(zhǎng)期廣泛地期待的,LHAASO的超級(jí)規(guī)模是實(shí)現(xiàn)這些性能的目標(biāo)之使然,而獲得的成果證實(shí)了當(dāng)初的主要設(shè)計(jì)理念之合理性。相反,第二條,即大量的存在性是一個(gè)巨大的出乎意料的驚喜。這些UHE伽馬射線(xiàn)源的發(fā)現(xiàn),意味著伽馬射線(xiàn)產(chǎn)生區(qū)域的內(nèi)部或周?chē)嬖谥W拥呐姆铀倨鳎o(wú)論是對(duì)電子還是質(zhì)子)。驚喜的另一面,卻是對(duì)現(xiàn)有理論嚴(yán)重的挑戰(zhàn):這些粒子加速器是何以能夠(譯者:在如此極端的條件下)運(yùn)行(見(jiàn)下面的詳細(xì)討論)??梢韵劝牙碚撍媾R的問(wèn)題放在一邊,即如何把粒子加速到高達(dá)PeV的能量,LHAASO的結(jié)果告訴我們:銀河系到處都是這些近乎完美地設(shè)計(jì)出來(lái)的“天然”粒子加速器。

      Q5. LHAASO探測(cè)到的最高能量的伽馬射線(xiàn),有什么特殊意義?

      A: 利用部分完成的LHAASO探測(cè)器和不到一年的曝光量,就成打地發(fā)現(xiàn)了這些UHE伽馬射線(xiàn)源,意味著銀河系內(nèi)部大量存在著拍伏加速器,這的確是一個(gè)巨大的驚喜。0.1PeV的光子只能由PeV的父輩粒子產(chǎn)生,無(wú)論是質(zhì)子通過(guò)p-p強(qiáng)相互作用,還是電子通過(guò)逆康普頓散射,這些粒子如何被加速到PeV,都是巨大的挑戰(zhàn)。在流行的理論框架內(nèi),問(wèn)題在于銀河系內(nèi)的質(zhì)子只能在年輕的超新星遺跡、或者是超亮的年輕巨質(zhì)量恒星(1萬(wàn)到10萬(wàn)倍太陽(yáng)亮度)之間相互碰撞的星風(fēng)才有可能被加速到PeV的能量。而且,兩者都要求我們把理論模型中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)為極端(幾乎不真實(shí))狀態(tài)(比如所謂波姆極限擴(kuò)散、磁場(chǎng)放大效應(yīng)等)。對(duì)于電子,銀河系里唯一能夠?qū)⑺鼈兗铀俚絇eV的是所謂脈沖星風(fēng)云。這里,我們必須面對(duì)的必然是“絕對(duì)極端的加速器”:粒子的加速效率必須達(dá)到按第一性原理所允許的(譯者:極端)邊界——按照經(jīng)典電動(dòng)力學(xué),粒子的加速率效率ν=eBc,B是磁場(chǎng)強(qiáng)度,c是光速,e是粒子的電荷。換句話(huà)說(shuō),我們所見(jiàn)的是“大自然”完美地設(shè)計(jì)出來(lái)的機(jī)器,它們是運(yùn)行在極端或者絕對(duì)極端條件下的粒子加速器:幾乎100%的加速效率!這里包含兩重含義:(1)100% 的利用了所有可能的能源(動(dòng)能、電磁能、引力能等)來(lái)把粒子加速到相對(duì)論性能量;(2)加速率(譯者:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)獲得能量增量)必須達(dá)到可能的最大值。

      Q6. LHAASO探測(cè)到的最高能量伽馬射線(xiàn)來(lái)自哪個(gè)天體?這個(gè)天體有什么特殊的地方?

      A: 見(jiàn)前一點(diǎn)。

      Q7. LHAASO這次探測(cè)到的超高能伽馬射線(xiàn)能量有多高?對(duì)人體有危害嗎?一個(gè)人被這樣的射線(xiàn)擊中的頻率有多高?

      A: 不會(huì),地球的大氣保護(hù)了我們免受這些伽馬射線(xiàn)的傷害。但即使這些伽馬射線(xiàn)能夠穿過(guò)大氣進(jìn)入到我們的身體,也完全不會(huì)是什么大問(wèn)題,光子會(huì)與我們的身體相互作用產(chǎn)生兩個(gè)電子(譯者:正負(fù)電子對(duì))。它們將會(huì)在體內(nèi)產(chǎn)生離化,而這件事跟任意其他的相對(duì)論性粒子所作的是沒(méi)有啥差別的,不管怎么說(shuō),大氣中存在的繆子和電子從數(shù)量上來(lái)說(shuō),可是比UHE伽馬光子多出來(lái)好幾個(gè)量級(jí)了。

      Q8. LHAASO的世界領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)可以保持多少年?預(yù)計(jì)未來(lái)LHAASO還將有什么重大發(fā)現(xiàn)?

      A: LHAASO應(yīng)該被稱(chēng)之為現(xiàn)在運(yùn)行起來(lái)了的“未來(lái)探測(cè)器”,也就是說(shuō)它代表的是第三代探測(cè)器,當(dāng)瞄準(zhǔn)從TeV到PeV能段的宇宙線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)測(cè)量的第二代探測(cè)器還停留在設(shè)計(jì)階段之時(shí),它就取數(shù)運(yùn)行了。當(dāng)下,只有一個(gè)相當(dāng)于WCDA規(guī)模的潛在探測(cè)器(SWGO)剛剛提出建議在南半球開(kāi)展0.1到100 TeV伽馬射線(xiàn)探測(cè),而甚至于還沒(méi)有KM2A規(guī)模的瞄準(zhǔn)10 TeV到 10 PeV能段的任何其他計(jì)劃在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)提出來(lái)。LHAASO還是一個(gè)寬視場(chǎng)的探測(cè)器。

      我們可以預(yù)見(jiàn)大多數(shù)的令人激動(dòng)的發(fā)現(xiàn)將會(huì)出現(xiàn)在未來(lái)1~2年,之后的一個(gè)階段的核心目標(biāo),將圍繞相對(duì)較強(qiáng)的一些源開(kāi)展深度的譜學(xué)和形態(tài)學(xué)研究,當(dāng)然還會(huì)伴隨著一批弱的伽馬射線(xiàn)源的發(fā)現(xiàn),這種深入的研究將圍繞1 PeV或者更高一些的能量進(jìn)行。根據(jù)去年觀測(cè)的經(jīng)驗(yàn),沒(méi)有哪個(gè)源具有超出1~2個(gè)PeV光子的發(fā)射能力,這就意味著我們將需要LHAASO保持運(yùn)行(至少)20年,尤其對(duì)KM2A而言。放眼望去,在此期間KM2A都不存在任何競(jìng)爭(zhēng),無(wú)論是在北半球還是在南半球。

      同時(shí),在度過(guò)了未來(lái)幾年最激動(dòng)人心的“發(fā)現(xiàn)期”之后,WCDA會(huì)作為一個(gè)強(qiáng)有力的全天普查裝置用來(lái)掃描北半球,特別是成為對(duì)AGN的伽馬射線(xiàn)耀發(fā)和孤立事件比如伽馬射線(xiàn)暴及其余暉,非常有效地的獵手,至少10年(甚而是20年),WCDA都會(huì)主導(dǎo)北半球的觀測(cè)研究。

      伽馬天文注定是一個(gè)多波段(MWL)的綜合性研究。對(duì)于空間上擴(kuò)展的源,LHAASO的探測(cè)靈敏度已經(jīng)超越了其他波段的觀測(cè)伙伴,如X-射線(xiàn)和MeV/GeV伽馬波段,以及甚高能中微子探測(cè)器。下一代的X射線(xiàn)探測(cè)器、低能伽馬射線(xiàn)探測(cè)器和超高能中微子探測(cè)器能否在未來(lái)10至20年內(nèi)出現(xiàn),應(yīng)該是正確解讀LHAASO結(jié)果的關(guān)鍵因素。

      LHAASO連續(xù)運(yùn)行20年,將會(huì)極大地惠及天體物理和粒子天體物理界。這里L(fēng)HAASO關(guān)于伽馬源成果的首次報(bào)告才只是冰山一角。未來(lái)數(shù)年,我們預(yù)見(jiàn)的發(fā)現(xiàn)也許會(huì)徹底改變我們關(guān)于最高能量和極端現(xiàn)象非熱宇宙的知識(shí)和流行的基本概念。

      (文章版權(quán)《現(xiàn)代物理知識(shí)》所有)

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