“宇宙信使”送信來(lái)

趙君鵬

1912年的一天，奧地利科學(xué)家維克托·赫斯攜帶著一個(gè)電離室乘熱氣球升空。他原計(jì)劃是進(jìn)行測(cè)定空氣電離度的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電離室中的電流隨著海拔的升高而變大。他認(rèn)為，這表明外太空的輻射滲透到了地球大氣層，一種穿透力極強(qiáng)的天外射線導(dǎo)致了電流變化。后來(lái)， 有人將這種射線命名為“宇宙射線”，又稱“宇宙線”。維克托·赫斯因?yàn)榘l(fā)現(xiàn)和研究宇宙射線而獲得了1936年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子流，是來(lái)自外太空的唯一物質(zhì)樣本，有人形象地稱其為“宇宙隕石”。它的能量大大超過(guò)了宇宙中的普通粒子，也遠(yuǎn)超人類研制的最高能量對(duì)撞機(jī)所能產(chǎn)生的粒子。

雖然， 對(duì)宇宙線的研究已經(jīng)進(jìn)行了一百多年，但是還有許多未解之謎，比如宇宙線來(lái)自何方。有科學(xué)家認(rèn)為，宇宙線是宇宙大爆炸之后的幾秒鐘內(nèi)所產(chǎn)生的，也有科學(xué)家認(rèn)為，宇宙線是從黑洞中逃逸出來(lái)的。但這些都只是猜測(cè)，缺乏有效的理論和觀測(cè)數(shù)據(jù)支持。

為何人類如此關(guān)注宇宙線的來(lái)源呢？借用唐朝詩(shī)人王維的詩(shī)句來(lái)說(shuō)，就是“君自故鄉(xiāng)來(lái)，應(yīng)知故鄉(xiāng)事”。宇宙線可能攜帶著宇宙中重要的信息，比如宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)、地球空間環(huán)境等，因此科學(xué)家稱其為“ 宇宙信使”。如果能找到其來(lái)源，以及知曉它形成的過(guò)程，就有可能顛覆相對(duì)論等物理學(xué)理論，重建人類現(xiàn)有的知識(shí)體系，讓人類重新認(rèn)識(shí)宇宙。

但是，研究宇宙線的來(lái)源難度較大。原因有二：其一，“捕獲”宇宙線很難;其二，宇宙線在旅途中改變了路線。

自從發(fā)現(xiàn)宇宙線以來(lái)，科學(xué)家就迫切地希望“捕獲”它，為此運(yùn)用了許多方法——在大氣層外用粒子探測(cè)衛(wèi)星、在青藏高原羊八井建設(shè)觀測(cè)站、在南極冰層下2400米處安裝巨型中微子望遠(yuǎn)鏡等，但是收效甚微，因?yàn)橛钪婢€的數(shù)量和能量成反比。也就是說(shuō)，宇宙線能量越高，代表著宇宙活動(dòng)越劇烈， 但其數(shù)量就越稀少，“捕獲”難度越大。

宇宙線大多是帶電的高能粒子，而宇宙中星際磁場(chǎng)比比皆是。受磁場(chǎng)的影響，宇宙線在飛行時(shí)會(huì)不斷改變方向，所以即使這些高能粒子被科學(xué)家“捕獲”，也很難推測(cè)出它們“鄉(xiāng)關(guān)何處”。但是也有例外，比如宇宙線中的伽馬射線和中微子，不受星際磁場(chǎng)的影響，科學(xué)家可以解讀其來(lái)源信息。

最近，中國(guó)的高海拔宇宙線觀測(cè)站就觀測(cè)到了超高能伽馬射線。這個(gè)探測(cè)站位于四川省稻城縣的海子山，是國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，擔(dān)負(fù)著探索高能宇宙線起源、分析相關(guān)信息、研究高能天體演化和暗物質(zhì)的使命。2020年11月，中國(guó)科學(xué)家利用該觀測(cè)站已經(jīng)建成二分之一規(guī)模的探測(cè)裝置，在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到最高1400萬(wàn)億電子伏特的伽馬光子，這是迄今為止人類觀測(cè)到的最高能量光子。這個(gè)發(fā)現(xiàn)表明：以天鵝座恒星形成區(qū)、蟹狀星云等為代表的非熱輻射天體，是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體。這個(gè)發(fā)現(xiàn)不但能讓人類重新認(rèn)識(shí)銀河系，有助于揭開(kāi)宇宙線起源的謎底，而且標(biāo)志著天文學(xué)研究將進(jìn)入“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。

“兒童相見(jiàn)不相識(shí)，笑問(wèn)客從何處來(lái)”，面對(duì)“天外來(lái)客”，人類猶如熱情又好奇的兒童。這些“宇宙信使”所帶來(lái)的消息有何玄機(jī)？相信隨著研究的不斷深入，科學(xué)家們將逐一破解。