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极高能宇宙射线究竟来自何处——“《科学》杂志2007年科学研究十大突破”系列报道之三
2008-01-17|文章来源: |【
 

  记者 朱芙蓉 

  原文链接:http://www.stdaily.com/gb/stdaily/2008-01/17/content_766221.htm 

  2007年12月20日,美国科学促进协会宣布,其属下的美国《科学》杂志公布了2007年度科学研究十大突破,人类基因组个体间差异的发现位居榜首,用人类皮肤细胞仿制出胚胎干细胞,发现银河系能量最大的宇宙射线,发现人体蛋白受体结构,发现人类大脑的重要记忆中心等都被列入其中。 

  《共享科学》栏目将从中选取普通百姓比较关心的研究成果给予深度解读,敬请关注。 

  极高能宇宙射线的起源一直是宇宙学最大的谜团之一,这些携带1018—1020电子伏的高能粒子比原子还小,但却具有如同高尔夫球撞入草地时的能量。 

  俄歇天文台的科学家们根据16个月所收集到的数据,于2007年11月9日在美国《科学》杂志上发表了一份报告,指出宇宙射线的起源有可能与周围的剧烈物质活动有关。此结果一出,立即引起了极大轰动,并于2007年底被《科学》评为年度十大突破。宇宙线物理这一历史悠久的高能物理研究领域在沉寂了半个多世纪后首次成为科学界备受关注的焦点。 

  那么,关于极高能宇宙射线的研究究竟是如何展开的?为何会出现研究争论?这个研究到底有何深远意义?记者采访了国内长期从事极高能宇宙射线来源研究的专家,中国科学院高能物理研究所曹臻研究员。 

  ———巨大发现———射线可能源自遥远黑洞 

  南半球的俄歇实验,从2006年5月至2007年9月收集到的13个能量高于56×1018电子伏的宇宙射线事例中发现,有8个事例与距离小于2.5亿光年的活动星系核位置在3.1度的范围内相吻合,而且呈现出不均匀的线状分布。 

  根据这一结果,俄歇的科学家推断出极高能宇宙线可能源自于遥远的星系,特别是位于这些星系中心剧烈活动的天体,通常是质量巨大的黑洞。 

  结论具有划时代意义 

  千百万年来,极高能宇宙射线不停地从宇宙深处“光顾”地球,在穿过地球大气层时与大气中的氧、氮等原子核发生碰撞,并产生出超高能次级粒子,这些次级粒子有足够的能量再次撞击,形成更加微小的下一代粒子,如此继续下去,形成了庞大的粒子流降落地球之上。然而在地球上每平方公里100年才能等到1粒极高能宇宙射线粒子!在过去的50年间,科学家利用各种探测手段仅探测到少数能量高达1020电子伏的高能粒子,这使极高能宇宙射线起源的研究更加困难。 

  这个结果如果被证实,将具有划时代的意义!它将解开宇宙射线起源之谜,开启“宇宙线粒子天文学”窗口,为探索与星系核内部剧烈活动相伴随的高能物理过程提供有效的手段和方法。此外,人类将有可能研究粒子被加速到如此之高能量的“宇宙加速器”的天体物理机制和原理,将对未来宇宙射线天体物理,乃至高能物理和加速器物理研究产生深远的影响。 

  ———业界质疑———同样方法得不到同样结论 

  但是这一结果刚一出来,曾经为北半球的HiRes(高分辨率“蝇眼”)实验工作的科学家们,立即利用HiRes收集到的数据,采用与俄歇相同的数据分析方法进行验证,却没有得出同样的结论。在俄歇发表结论后的第10天,HiRes的科学家将他们的质疑发表在英国《自然》杂志的新闻栏目里面,使得极高能宇宙射线的来源又陷入了悬而未决之中。 

  在俄歇实验运行之前,世界上最大的极高能宇宙线观测实验是位于北半球的HiRes实验,它拥有北天区最大曝光量的实验观测数据。这个实验在2006年4月完成数据收集工作后停止运行。曹臻在HiRes实验组工作了近10年,如今带领中科院高能物理研究所HiRes国际合作研究小组正在对HiRes立体观测实验数据进行全面的物理分析。 

  “得知俄歇实验的结论后,我们小组及时地开展了相关的关联分析,并与美国犹他州大学和新泽西州州立大学的研究小组独立分析了HiRes数据,共同确定了对俄歇实验结果的回应。”曹臻说,“最终我们发现,HiRes实验所观测到的13个事例中,仅两例与活动星系核的位置相吻合。” 

  ———国内进展———我国投入还非常少 

  “极高能宇宙线研究在中国刚刚起步,迄今为止我国在极高能宇宙线研究的实验研究投入还非常少,与国际上巨大规模实验研究相比,还有相当大的差距。极高能宇宙线研究发展至今天的水平,惟有开展大规模的国际合作才可能,例如俄歇实验就整合了33个国家的共同资源开展的。”曹臻说。 

  具备了一定的研究基础 

  我们也开展了多年的预备性研究,完成了可行性分析。在实验手段上,我们已经独立研制成功了两台荧光望远镜,实现了西藏羊八井与现有宇宙线探测装置的联合观测试运行。在探测器标定、事例重建、物理分析等方面已经具有明显的优势,美日联合的TA实验已经多次发出邀请希望中国加入。 

  我国还能够独立完成物理课题丰富的所谓“第二膝”能区的观测研究,探索与宇宙射线从银河系内的起源向银河系外的起源转换相关的现象,实现跨越三个能量量级的极高能宇宙线完整、一致的观测研究,彻底地解决与极高能宇宙线相关的各种未解的重大问题。 

  ■专家连线 

  记者:目前,俄歇天文台的结论只是建立在观测了13个事例的基础上,下一步将如何完善这个实验? 

  曹臻(中国科学院高能物理研究所研究员):客观上,十几个事例的观测结果的确存在很大的偶然性,进一步观测积累更大的统计量是彻底解开宇宙线起源之谜的唯一途径。俄歇实验目前已经基本完成了探测器的全部投放和安装调试,更大规模的观测数据收集正在进行。假如经过3到4年的观测,事例增加到50例还能够得到类似的观测结果,那将是了不得的发现,将完全确定这一结论的可靠性,彻底解开潜藏了80多年的谜团。 

  记者:HiRes实验2006年终止以后,目前除了俄歇天文台继续进行极高能宇宙射线的研究以外,世界上还有类似的实验吗? 

  曹臻:现在世界上在运行的最高能量宇宙射线实验只有两个。俄歇实验在南半球,监测的是南半球的天空。而HiRes实验已经与日本的原AGASA实验组合作,在北半球的美国犹他州初步建成了面积约为俄歇天文台规模1/3的“望远镜阵列(TA)”实验。今年年初正式投入观测运行,成为与俄歇实验互补的宇宙线实验大装置。两个实验同时运行可以相互验证观测结果。 

  记者:目前极高能宇宙射线的观测手段有哪些?各有什么优缺点? 

  曹臻:第一种是俄歇实验主要采用的地面阵列,即采用放在地面的大面积排列的探测器来收集粒子。虽然各种实验采用的地面探测器原理不用,有的用光信号、有的用电信号,但都是为了检测粒子到达的时间和数目信息,并以之确定原初极高能宇宙线粒子的到达方向和能量,分析它们的成分。它的优势是不太受气候等条件影响,不怕光、不怕人多的环境,可以24小时工作,长时间稳定运行。弱点是,地面阵列相当于在一个平面上等待粒子打上来,才能记录到,并不能观测到从一个粒子发展到109个粒子的过程。 

  第二种就是HiRes实验采用的荧光探测器。因为高能粒子穿过氮分子时会激发氮分子至较高的能态,回落时会发出微弱的光。在没有月亮的晴朗夜晚,利用“蝇眼”装置,通过每个孔径约为5平方米的望远镜可以收集到这种微弱的光。它的优势在于可以记录到粒子数目从小到大到衰减的纵向发展过程,信息量大,总能量的测量更加准确。但是,这种实验怕光,白天和有月光的晚上都没有办法做,全年只有1/10的时间可以用于探测。这也是为什么俄歇实验仅用了2年时间就收集到HiRes实验7年收集到的数据量的原因。 

  记者:除了极高能宇宙射线的研究外,是否还有其他研究可以推断出宇宙射线的起源? 

  曹臻:除了极高能宇宙线粒子天文学以外,有初步证据表明,能量低7个量级的伽马天文学契伦科夫望远镜实验和能量低4个量级的超高能中微子望远镜实验都有可能在宇宙线起源问题的解决上取得重大突破。 

  (科技日报,2008年1月17日,第六版)


 
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