武 莎 南云程

(中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所 100049)

1912年奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯通過(guò)高空氣球?qū)嶒?yàn)證明了地球之外存在一種穿透能力很強(qiáng)的輻射，這些輻射自上而下進(jìn)入大氣層并與大氣發(fā)生相互作用使大氣發(fā)生電離。在這些輻射被發(fā)現(xiàn)之后，人們本能地開始思考這些地球以外的輻射是誰(shuí)發(fā)出的。首先想到的自然是太陽(yáng)。太陽(yáng)是距離我們最近的恒星，它的質(zhì)量在整個(gè)太陽(yáng)系中占比高達(dá)99.8%，并無(wú)時(shí)無(wú)刻地將自身質(zhì)量或能量通過(guò)輻射或發(fā)射粒子的方式向外輸送。那有沒有一種可能性，赫斯在地球上發(fā)現(xiàn)的這種穿透能力很強(qiáng)的輻射就是來(lái)源于我們熟悉的太陽(yáng)呢？時(shí)間回到1912年，讓我們跟著赫斯開啟高空氣球之旅，一起來(lái)探索這些輻射是否來(lái)自太陽(yáng)。

一.1912年高空氣球之旅

在1911～1913 年間，赫斯將驗(yàn)電器架設(shè)在氣球上(圖1)，進(jìn)行了10次飛行實(shí)驗(yàn)，測(cè)量空氣電離度隨海拔高度的變化。他發(fā)現(xiàn)一開始電離度隨著海拔高度升高而降低，繼而急劇上升。最關(guān)鍵的一次飛行來(lái)自1912 年4 月17 日。赫斯在幾近日全食期間將氣球上升到1900～2750 米的高空，發(fā)現(xiàn)大氣的電離在日全食期間并未減少。在接下來(lái)的飛行中也未發(fā)現(xiàn)白天和夜晚大氣電離度有明顯的差別。因此，赫斯斷定使大氣發(fā)生電離輻射的不是來(lái)自于地球之外的太陽(yáng)——它必須來(lái)自更遠(yuǎn)的宇宙①。1925年這種輻射被命名為宇宙線。赫斯因?yàn)檫@個(gè)發(fā)現(xiàn)獲得了1936年度的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

圖1 (a)1912年赫斯氣球?qū)嶒?yàn)；(b)赫斯的驗(yàn)電器

二.2022年地面“玩具”探秘

比起飛向高空，我們更希望能簡(jiǎn)單地坐在地面上就測(cè)量到赫斯發(fā)現(xiàn)的宇宙線。于是我們做了一套叫作地面宇宙線探測(cè)器陣列的“玩具”。這個(gè)“玩具”由5臺(tái)塑料閃爍體探測(cè)器組成，可以放在地面或者屋頂，用于探測(cè)宇宙線中的次級(jí)粒子。每臺(tái)探測(cè)器的探測(cè)原理以及陣列的布局示意圖可以從《重走宇宙線發(fā)現(xiàn)之旅》一文中看到②。這個(gè)陣列的一部分真實(shí)數(shù)據(jù)已經(jīng)開放給對(duì)宇宙線感興趣的人。我們將共同坐在家里重走宇宙線的發(fā)現(xiàn)之旅，探索“宇宙線的太陽(yáng)起源”之謎。

1.“玩具”的使用指南

數(shù)據(jù)獲?。褐刈哂钪婢€發(fā)現(xiàn)之旅的數(shù)據(jù)以EXCEL 的格式保存，可以直接從網(wǎng)上下載(https://github.com/nanyc2022/Revisit-the-cosmic-ray-journey)。

數(shù)據(jù)信息：主要包括直接觀測(cè)到的次級(jí)宇宙線和經(jīng)過(guò)幾何重建后得到的原初宇宙線。具體觀測(cè)量及含義如下：

次級(jí)宇宙線：

Nhit：“同時(shí)”測(cè)量到次級(jí)宇宙線的探測(cè)器個(gè)數(shù)。

t0-t4：0-4號(hào)探測(cè)器中每臺(tái)探測(cè)器測(cè)量到次級(jí)宇宙線的時(shí)間。

(X,Y)：0-4 號(hào)探測(cè)器中每臺(tái)探測(cè)器在地平笛卡爾坐標(biāo)系下的位置。

原初宇宙線：

Time：原初宇宙線的觀測(cè)時(shí)間。

(θ,φ)：原初宇宙線在地平球坐標(biāo)系下的方向，依次是天頂角，方位角。

dt：測(cè)量到相鄰兩個(gè)原初宇宙線的時(shí)間差。

新手入門：任務(wù)一是重建出原初宇宙線方向。地面探測(cè)器陣列接收到的是原初宇宙線在大氣層內(nèi)經(jīng)過(guò)級(jí)聯(lián)簇射后的次級(jí)粒子(圖2(a))，經(jīng)過(guò)廣延大氣簇射過(guò)程的次級(jí)粒子基本分布在一很薄的圓盤上，這個(gè)圓盤在中心附近可以近似為一個(gè)平面。如果求解出這個(gè)平面的法向量也就知道了原初宇宙線的方向，我們把這個(gè)過(guò)程叫作原初宇宙線方向重建。根據(jù)探測(cè)器的著火時(shí)間和位置信息(圖2(b))，可以對(duì)應(yīng)找到平面上的“點(diǎn)”，計(jì)算出原初宇宙線的方向。

圖2 (a)廣延大氣簇射示意圖；(b)宇宙線方向重建示意圖

任務(wù)二是了解并計(jì)算宇宙線事例率。在觀測(cè)宇宙線時(shí)，由于人為設(shè)置的觀測(cè)時(shí)長(zhǎng)不同測(cè)量到的宇宙線數(shù)量可能不同。因此使用單位時(shí)間內(nèi)觀測(cè)到的宇宙線個(gè)數(shù)，即事例率來(lái)描述探測(cè)到宇宙線的真實(shí)情況。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，相鄰2 個(gè)原初宇宙線的時(shí)間差dt滿足指數(shù)分布，其函數(shù)表達(dá)式為：

其中t是時(shí)間，R即為事例率。在數(shù)據(jù)中統(tǒng)計(jì)不同時(shí)間差dt下的宇宙線個(gè)數(shù)，就能得到公式(1)的指數(shù)分布,進(jìn)而確定事例率R。利用2021年12月27日的數(shù)據(jù)和EXCEL 軟件，計(jì)算得到陣列探測(cè)到的宇宙線事例率約為0.19 Hz(見圖3擬合公式中的指數(shù)系數(shù))。

圖3 相鄰兩個(gè)宇宙線觀測(cè)時(shí)間差的分布其中藍(lán)點(diǎn)是測(cè)量結(jié)果，紅線是趨勢(shì)線

2.白天和夜晚的宇宙線

與赫斯通過(guò)測(cè)量日夜空氣電離度來(lái)間接判斷宇宙線是否來(lái)自于太陽(yáng)的原理相似，我們利用地面探測(cè)器陣列測(cè)量白天和夜晚的宇宙線事例率來(lái)繼續(xù)探索這個(gè)問(wèn)題。隨著地球自轉(zhuǎn)，地面探測(cè)器陣列會(huì)在白天面向太陽(yáng)，在夜晚由于地球自身的遮擋而背向太陽(yáng)(圖4)。通過(guò)比較白天和夜晚宇宙線的事例率，就能判斷宇宙線是否來(lái)自太陽(yáng)。

圖4 探測(cè)器在白天(上)和夜晚(下)觀測(cè)宇宙線示意圖左和右球體分別為太陽(yáng)和地球

我們選取并利用2021年12月27日全天的觀測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)探究這一問(wèn)題。所有的原初宇宙線按照觀測(cè)時(shí)間平均分成白天和晚上兩個(gè)數(shù)據(jù)樣本，分別計(jì)算這些宇宙線的事例率。通過(guò)計(jì)算，白天和夜晚觀測(cè)到的宇宙線事例率分別為0.19 Hz和0.18 Hz。結(jié)果顯示，在夜晚探測(cè)器也能觀測(cè)到宇宙線，并且白天和夜晚觀測(cè)到的宇宙線的事例率相差僅5%。這說(shuō)明宇宙線不僅僅來(lái)自于太陽(yáng)方向，還來(lái)自于其他方向。因此，太陽(yáng)并不是宇宙線的唯一來(lái)源。而觀測(cè)到的白天和夜晚事例率的5%的差別與統(tǒng)計(jì)量的多少、甚至與溫度、氣壓等因素有關(guān)。

3.日全食過(guò)程的宇宙線

月球在運(yùn)動(dòng)到日地之間時(shí)會(huì)遮擋住太陽(yáng)照射到地球的光(見圖5中地球上的小陰影區(qū)域)從而形成日食。在日食過(guò)程中，太陽(yáng)會(huì)逐步被月球遮擋再逐步顯現(xiàn)。根據(jù)觀測(cè)的遮擋特征，日食又分為日全食和日偏食等。日全食在全球范圍內(nèi)每1.5年發(fā)生約1次。赫斯則是在這樣一個(gè)罕見的日全食期間測(cè)量空氣電離度來(lái)判斷宇宙線是否來(lái)自于太陽(yáng)。與赫斯的探究原理相似，我們也可以利用地面探測(cè)器陣列來(lái)測(cè)量日食前后，以及過(guò)程中(見圖5)宇宙線事例率隨時(shí)間的變化來(lái)繼續(xù)探索這個(gè)問(wèn)題。

圖5 探測(cè)器在日食期間觀測(cè)宇宙線示意圖左、中和右球體分別為地球、月球和太陽(yáng)

在現(xiàn)有的觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍內(nèi)，暫時(shí)沒有出現(xiàn)日全食。更多的日食觀測(cè)時(shí)間、地點(diǎn)信息可以在國(guó)家科學(xué)天文數(shù)據(jù)中心網(wǎng)站③上查詢，未來(lái)探測(cè)器也會(huì)繼續(xù)觀測(cè)并提供更多的數(shù)據(jù)。我們約好未來(lái)再一起探索。

4.為宇宙線拍一張照片

1912年受到測(cè)量方法的限制，赫斯不能利用驗(yàn)電器來(lái)確定宇宙線的方向。在探索“宇宙線的太陽(yáng)起源”之謎時(shí)，赫斯不得不在夜晚、日全食這種特殊條件下帶著驗(yàn)電器乘坐氣球一次一次飛行。

而今天，先進(jìn)的宇宙線探測(cè)器陣列可以通過(guò)重建得到原初宇宙線的方向信息。用這個(gè)“玩具”對(duì)著天空持續(xù)“曝光”，就可以為宇宙線拍一張照片。如果宇宙線是太陽(yáng)發(fā)射的，那么在照片中我們應(yīng)該可以看到宇宙線集中在太陽(yáng)運(yùn)動(dòng)的軌跡，即軌跡從東方升起，劃過(guò)我們的頭頂，向西方落下。

為了驗(yàn)證這個(gè)猜想，我們將觀測(cè)數(shù)據(jù)中的所有原初宇宙線按照天頂角和方位角的大小排列在相紙上，拍攝了一張宇宙線的照片(圖6)。照片中，宇宙線并沒有集中在一條軌跡上，而是散落在整個(gè)天空。因此，太陽(yáng)并不是宇宙線的主要起源。

圖6 宇宙線照片,其中藍(lán)色點(diǎn)代表宇宙線

三.上天入海探究宇宙線的起源

在宇宙線被發(fā)現(xiàn)的一百多年里，我們已經(jīng)了解到宇宙線中絕大部分粒子是帶電的原子核，只有少量的電子、光子和極難探測(cè)的巨大數(shù)量的中微子。宇宙線(如不做特殊說(shuō)明，指的是宇宙線中的帶電原子核)在宇宙空間的星際磁場(chǎng)中經(jīng)過(guò)了漫長(zhǎng)的傳播過(guò)程，受到洛倫茲力的影響，它們?cè)诘竭_(dá)地球前就失去了原初方向信息(圖7)。因此，直接定位加速宇宙線的天體變得非常困難。這些能量高的粒子究竟來(lái)自哪里呢？粒子能夠不斷獲得加速的前提條件是能被束縛在加速區(qū)，這就要求粒子的拉莫爾半徑不能超過(guò)星體的大小，即Emax～ZBR。其中，Z是帶電粒子電荷，B 是磁場(chǎng)強(qiáng)度，R 是星體的半徑。這樣根據(jù)天體目標(biāo)的磁場(chǎng)和尺度信息便可鎖定候選源。從1912 年發(fā)現(xiàn)至今，只有少量能量較低(<1011eV)的宇宙線粒子已經(jīng)確定產(chǎn)生于太陽(yáng)，而能量更高的宇宙線主要來(lái)自于太陽(yáng)系以外的銀河系以及銀河系之外更加遙遠(yuǎn)的地方。雖然人類還不能準(zhǔn)確說(shuō)出這些宇宙線是由什么地方產(chǎn)生的，但探尋它們的手段已經(jīng)多種多樣，解決宇宙線起源問(wèn)題已經(jīng)指日可待。

宇宙線在星際磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)隨著能量的升高而減小，當(dāng)宇宙線能量高到某一程度時(shí)(比如>1019eV)，我們觀測(cè)到的宇宙線到達(dá)方向已經(jīng)可以近似指向加速源所在的位置。這些極高能的宇宙線非常少，在1平方千米的面積上100年才落下1個(gè)。為了克服流強(qiáng)弱這個(gè)問(wèn)題，極高能宇宙線探測(cè)器面積都建造得巨大。例如，著名的俄歇觀測(cè)站探測(cè)器的覆蓋面積達(dá)到3000平方千米。另一方面，宇宙線與星際介質(zhì)中物質(zhì)相互作用產(chǎn)生伽馬射線和中微子。伽馬射線和中微子不帶電，在宇宙空間中傳播不會(huì)偏轉(zhuǎn)(圖7)，是研究宇宙線起源問(wèn)題的重要“探針”。中微子與其他物質(zhì)發(fā)生相互作用的截面極小，不容易被探測(cè)到。如果想要捕獲中微子則需要龐大的探測(cè)介質(zhì)，這些探測(cè)介質(zhì)非人力可為，通常取自天然，如位于南極冰層下1450米到2450米體積1立方千米的冰立方實(shí)驗(yàn)(圖8)。目前，冰立方實(shí)驗(yàn)是觀測(cè)宇宙線中微子最好的探測(cè)器陣列，已經(jīng)觀測(cè)到多個(gè)中微子事例，但是還沒有找到宇宙線源。

圖7 宇宙線傳播過(guò)程示意圖④

圖8 冰立方實(shí)驗(yàn)⑤

與中微子和極高能宇宙線相比，伽馬射線的探測(cè)容易了許多。隨著空間和地面探測(cè)技術(shù)的發(fā)展，已經(jīng)有5000多個(gè)GeV(109eV)伽馬源(圖9)和251個(gè)TeV(1012eV)伽馬源被觀測(cè)到⑦。其中伽馬射線源的種類主要包括：位于銀河系內(nèi)的脈沖星及其星云、超新星遺跡、伽瑪射線雙星、超級(jí)泡等和位于銀河系外的活動(dòng)星系核、星爆星系、伽瑪射線暴等。這些伽馬射線源的發(fā)現(xiàn)幫助我們進(jìn)一步逼近宇宙線起源問(wèn)題的真相。然而高能伽馬也可以由源區(qū)加速的高能電子產(chǎn)生，并不一定直接與宇宙線關(guān)聯(lián)。利用伽馬天文回答宇宙線起源問(wèn)題的關(guān)鍵是觀測(cè)到更多數(shù)量、更多種類以及更高能量的伽馬源。同時(shí)聯(lián)合其他多波段的觀測(cè)，尋找到伽馬源和宇宙線的關(guān)聯(lián)證據(jù)。

圖9 Fermi十年對(duì)伽馬射線源的觀測(cè)結(jié)果⑥

面對(duì)宇宙線研究領(lǐng)域的科學(xué)機(jī)遇，瞄準(zhǔn)宇宙線起源問(wèn)題，我國(guó)宇宙線物理學(xué)家們提出了建設(shè)高海拔宇宙線觀測(cè)站(英文名稱為：Large High Altitude Air Shower Observatory,LHAASO)。LHAASO 位于海拔高度4410米的四川省稻城縣海子山，占地面積約1.36平方千米(圖10)。在探測(cè)技術(shù)上，LHAASO采用四種不同的手段，可以對(duì)宇宙線事例進(jìn)行全方位、多變量的測(cè)量。LHAASO 的主體工程于2017年開始建設(shè)，至2021年7月LHAASO陣列全部建設(shè)完成，已經(jīng)成為國(guó)際上最活躍的宇宙線物理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。LHAASO 1/2 陣列11 個(gè)月的數(shù)據(jù)已經(jīng)在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)12個(gè)穩(wěn)定的超高能伽馬射線源，并記錄到能量達(dá)1.4 拍電子伏的伽馬光子，突破了人類對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知。LHAASO開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代，有望揭開宇宙線起源之謎。

圖10 LHAASO陣列布局及四種探測(cè)手段