在不遠的將來，我們將會看到更多更高能的光子漂流到我們地球。
撰文 | 王善欽
光，是我們無比熟悉的概念。物理學家告訴我們，光是由無數(shù)光子組成的。比如我們眼睛可以看到的的可見光就是可見光光子組成的。宇宙中還有各種不可見的“光”，它們也由能量各異的光子構成。那么，能量最高的光子可以高能到什么程度呢？
最近，中日合作的羊八井ASgamma實驗的探測器探測到來自蟹狀星云方向的24個能量超過100萬億電子伏（100TeV）的超高能光子，其中能量最高的那個光子達到了450萬億電子伏（450TeV），是此前最高能量記錄（75TeV）的6倍，是可見光光子能量的百萬億倍。相關成果對應的論文已經(jīng)被物理領域頂尖期刊《物理評論快報》所接受，即將于七月下旬作為亮點論文出版[1]。
這些超高能光子從何而來？研究論文的作者們認為它們可能源于古老而低能的宇宙微波背景輻射[2]。那么，什么是微波背景輻射？它們如何變?yōu)槌吣芄庾?？它們又是如何被探測到的？這篇文章以這批光子為主角，講述它們奇幻漂流的一生。
宇宙大爆炸的余燼
大約138億年前，我們的宇宙比沙子還小得多，所有物質擠壓在極端小、極端熱的狹小區(qū)域內。接著，宇宙“爆炸”，我們以這個時刻的宇宙年齡為零。爆炸后的宇宙急劇膨脹。在宇宙年齡從零到38萬年之間的階段，宇宙中大量光子與其他粒子強烈碰撞，阻止中性原子形成——這些高能光子會把電子與原子核拆散。
在宇宙年齡為38萬年時，由于宇宙的膨脹，那些高能光子的能量已經(jīng)降到足夠低，不能繼續(xù)拆散原子，它們最后一次與電子發(fā)生碰撞后，就成為宇宙中散落的背景光子，電子也終于能夠安安穩(wěn)穩(wěn)地與原子核結合為中性原子，宇宙也終于從一團迷霧一樣的狀態(tài)變?yōu)橥该鳡顟B(tài)。
這個時刻，那些剛成為宇宙背景的光子的溫度大約是絕對溫度3000多度，發(fā)出暗紅色的光。這是年輕時的宇宙的顏色。隨著宇宙繼續(xù)膨脹，這些光子的能量不斷降低，到138億年之后的今天，這些背景光子的溫度已經(jīng)只有絕對溫度2.7度，相當于零下270攝氏度，比我們的南極還冷得多，對應的波長在微波波段，因此被稱為“微波背景輻射”。
它們中的一部分在1964年被貝爾實驗室的工程師威爾遜和彭齊亞斯意外發(fā)現(xiàn)，證實了宇宙大爆炸理論的正確性，二人也因此獲得了1978年的諾貝爾物理學獎。下面，我們將微波背景輻射光子簡稱為“背景光子”。
圖：WMAP 衛(wèi)星9年探測得到的微波背景輻射分布圖，微波背景輻射沒有顏色，圖中顏色為偽色 | NASA / WMAP Science Team
在這漫長的138億年，這些背景光子在能量降低的同時，不斷漂流。但在我們講述這些背景光子進一步漂流的故事前，我們還必須先講述一個看似與它無關，實際上卻密切相關的故事：超新星爆發(fā)。
恒星的壯烈死亡：超新星爆發(fā)
距離現(xiàn)在大約1千萬年前，位于地球金牛座方向的一個區(qū)域中的一團巨大的氫分子云終于點燃了自己的中心，成為了一顆質量在8到10個太陽質量那么大的恒星，這顆恒星與地球的距離大約為6500光年，1光年約等于10萬億千米，因此這個距離約為6億億千米。
經(jīng)過大約1千萬年的演化，這顆恒星內部不再產(chǎn)生能量，巨大的引力占據(jù)上風，星體向內猛烈收縮，將核心壓縮為一個幾乎完全由中子構成的致密星體——中子星，恒星的其他部分物質砸在堅硬的核心上，然后向外反彈，中心天體發(fā)出的中微子協(xié)助反彈物質向外爆炸，形成了壯觀的超新星。
超新星爆發(fā)后發(fā)出的強烈光芒向外傳播，經(jīng)過大約6500年后，到達地球上空，此時是公元1054年，中國正處于宋仁宗至和元年。北宋的天文官員發(fā)現(xiàn)天空突然出現(xiàn)了一顆新的星星，這就是著名的“天關客星”，也被稱為“超新星1054”（SN 1054）。這顆新的星星持續(xù)近兩年可以在夜空看到，以至于第二年，即宋仁宗至和二年，侍御史趙抃還上奏議：“臣伏見自去年五月已來，妖星遂見，僅及周稔，至今光耀未退?！辈粌H如此，這顆超新星有23天可以在白天看到。[3]
圖：《歷代名臣奏議》中趙抃對1054年被觀測到的超新星的描述。
著名的梅西耶星表中的第一個天體M1，因其形狀像一只螃蟹，因此也被稱為“蟹狀星云”。1921年，有兩位天文學家先后指出蟹狀星云正在膨脹，年齡大約為900年，天文學家倫德馬克（Knut Lundmark，1889--1958）根據(jù)這些結論，結合中國古代典籍記載，猜測：蟹狀星云就是超新星1054的遺跡。此后，哈勃（Edwin Hubble，1889-1953）經(jīng)過觀測與計算，證實了這個結論。
1967年，貝爾（Jocelyn Bell Burnell，1943-）首次觀測到到脈沖星之后，人們很快在1968年發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云中心的脈沖星，這就是超新星1054遺留下來的中子星，這顆中子星每秒自轉30次，并不斷將自身的轉動能轉化為輻射，產(chǎn)生的“脈沖星風”照亮蟹狀星云，使后者成為一個“脈沖星風云”。
圖：哈勃太空望遠鏡（HST）拍攝的蟹狀星云的圖像 | NASA / ESA, HST
上圖為哈勃太空望遠鏡（HST）于1999年到2000年拍攝的蟹狀星云的多色圖，它的半徑已經(jīng)擴展到6光年，即大約60萬億千米。由于其尺寸太大，HST分24次拍攝了不同部分，然后把24張圖拼接為一張圖。
超新星遺跡：巨大的加速器
所有的超新星在爆發(fā)幾年后，都將成為“超新星遺跡”。超新星遺跡里有大量彌散的超新星物質。這些物質內部的強烈碰撞或者中心遺留的中子星的強烈輻射會產(chǎn)生強烈的沖擊波，這些沖擊波將超新星遺跡里面的質子和電子加速到極高的速度——極端接近光的速度。因此，超新星遺跡自身就是無比巨大的加速器。
超新星1054也不例外，它在爆發(fā)幾年后也開始成為超新星遺跡，即上面說的蟹狀星云。看似人畜無害的蟹狀星云里，也有強烈的沖擊波，這些沖擊波將大量質子和電子加速到極端高速、極端高能的狀態(tài)，四散開來。
極端高能電子與背景光子的碰撞
極端高能的電子四散開來之后，其中一部分朝著地球的方向飛來。這些極端高能電子在朝著地球運動的過程中，彌漫到超新星1054附近的低能背景光子們等到了機會，它們經(jīng)常被高能電子撞擊成高能光子。而我們這個故事中的主角們就是這群光子中的一部分。
在某個時期，被超新星遺跡加速的一批超高能電子撞擊了周圍的那些低能背景光子，將大量能量傳遞給那些低能背景光子，使得這些漂流的背景光子的能量從10000分之1電子伏左右提升到100萬億電子伏以上，最高的達到了450萬億電子伏，能量提高到原來的大約4百億億倍左右，是可見光光子能量的百萬億倍。
圖：低能光子與高能電子碰撞，獲得巨大能量 | 王善欽
這個過程就如同一個身上只有1元錢的流浪者突然被給予幾百億億元錢，可謂一夜暴富。這些原本低能的光子從此成為披堅執(zhí)銳的超高能光子，朝著地球方向奔襲而來。經(jīng)過大約6500年，它們終于抵達地球。
光子與地球大氣的碰撞：大氣簇射
地球上空有一層厚厚的大氣，大氣里有大量的各類氣體分子。從太空中襲來的各類宇宙線與大氣分子中的原子核碰撞，力量被大大削弱。因此使得我們免受高能宇宙線的傷害。
那個超高能光子也在進入大氣之后與大氣分子中的粒子相互作用，產(chǎn)生了其他高能粒子，這些高能粒子又與周圍的大氣分子中的粒子相互作用，產(chǎn)生了更多其他粒子，這個連鎖反應會發(fā)生多次，因此被稱為“大氣簇射”，其結果是一個高能粒子激發(fā)出眾多粒子。
圖：高能粒子在大氣中激發(fā)簇射的示意圖 | 王善欽
由這些超高能光子激發(fā)出的眾多帶電粒子中的一部分進入了位于西藏的羊八井ASgamma實驗的探測器陣列。這個陣列的核心是水切倫科夫探測器。什么是水切倫科夫探測器？它的原理是什么？
切倫科夫輻射與水切倫科夫探測器
1934年，切倫科夫（Pavel Cherenkov, 1904-1990）研究放射性元素釋放出的射線穿過液體的現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)液體發(fā)出藍光，經(jīng)過仔細分析，他確定這暗淡的藍光并不是熒光。這個輻射后來被稱為切倫科夫輻射。1937年，切倫科夫的同事弗蘭克（Ilya Frank, 1908-1990）和塔姆（Igor Tamm, 1895-1971）解釋切倫科夫輻射的成因：帶電粒子在液體中的速度超過了光在液體中的速度，因此發(fā)出了藍光為主的輻射。
根據(jù)愛因斯坦的相對論，真空中，任何物質的速度都不可能超過光速。不過，在介質中，粒子的速度可以超過介質中的光速。比如，光在真空中的速度是每秒30萬千米，在水中，光的速度是每秒22.5萬千米；如果帶電粒子在水中的速度超過每秒22.5萬千米，這個高速粒子就會發(fā)出切倫科夫輻射。因為發(fā)現(xiàn)和解釋了切倫科夫輻射，切倫科夫、弗蘭克和塔姆分享了1958年的諾貝爾物理學獎。
實際上，這一現(xiàn)象早在1888到1889年就被英國物理學家海維塞德（Oliver Heaviside, 1850-1925）在理論上所預言；1904年，德國物理學家索末菲（Arnold Sommerfeld, 1868-1951）也預言了這個現(xiàn)象。但因為1905年誕生的相對論認為物質運動速度不會超過真空中的光速，這兩人的工作迅速被遺忘，直到20世紀70年代才被人重新發(fā)掘出來。事實上，愛因斯坦的相對論只是針對真空，不針對介質。觀測方面，1910年，瑪麗·居里（即居里夫人，Marie Curie，1867-1934）發(fā)現(xiàn)高濃度的鐳溶液發(fā)出了暗淡的藍光，但沒有進一步調查這類現(xiàn)象。
切倫科夫輻射被發(fā)現(xiàn)并被解釋后，很快就被用來設計探測器。如果探測器的介質用的是純水，就是水切倫科夫探測器；同理，有重水切倫科夫探測器、冰切倫科夫探測器，甚至還有空氣切倫科夫探測器。下圖為位于美國俄勒岡州里德學院（Reed College）的水下放射性反應堆的堆芯，放射性元素衰變釋放出的高能電子在水中穿梭，速度超過水中的光速，發(fā)出幽藍的切倫科夫光。
圖：位于里德學院的供科研使用的水下核反應堆的堆芯附近的藍色切倫科夫光 | United States Nuclear Regulatory Commission
西藏羊八井ASgamma實驗的探測器的探測
位于西藏海拔4300米處的羊八井的探測器由多個裝滿高度純凈水的切倫科夫探測器組成，每個探測器里放著一種被稱為“光電倍增管”的儀器。這個項目是中日合作項目，選擇日本作為合作方，是因為日本在水切倫科夫探測器方面的技術世界領先，著名的神岡探測器與其升級版——超級神岡探測器都是水切倫科夫探測器，在中微子科學領域做出了多項重要貢獻，于2002年與2015年兩次獲得了諾貝爾物理學獎。
羊八井項目分別由中國科學院高能物理研究所和日本東京大學宇宙線研究所負責中日雙方的事務，于1990年完成第一期，此后多次升級。2014年，建設成位于地下的水切倫科夫探測器。這個新建設的地下探測器使羊八井實驗組成為探測超高能宇宙線方面最靈敏的小組。
那些漂流的超高能光子激發(fā)出的大量高速、高能帶電粒子穿過羊八井實驗組安置在地下的水切倫科夫探測器后，產(chǎn)生切倫科夫光，這些光打到光電倍增管，后者將信號放大，傳輸?shù)浇K端，探測完成。
至此，這群漂流的光子及其能量的“繼承者”們的奇幻旅程終于結束。
在探測到信號之后，中日科學家通過精確的計算與分析，反推出這些產(chǎn)生輻射的粒子的源頭是一批超高能光子，其中24個能量超過100萬億電子伏，超過此前的探測記錄；其中，能量最高的達到了450萬億電子伏，是此前被探測到的最高能光子的能量的6倍。
LHAASO：更強的探測器
2018年6月，我國開始建設位于四川海拔4410米的稻城、占地1.36平方千米的“大面積高海拔宇宙線觀測站”（LHAASO），預計耗資12億元，現(xiàn)在已經(jīng)建成一部分。LHAASO由多個廣角空氣切倫科夫探測器、上千個地下的水切倫科夫探測器、占地近8萬平方米的地上的水切倫科夫探測器和幾千個閃爍液探測器構成，可以用來探測三個能量范圍內的伽馬射線和“宇宙線”。這個項目的靈敏度比羊八井探測器的靈敏度高至少幾十倍，將對超高能帶電粒子和超高能光子的研究產(chǎn)生更深遠影響。
在不遠的將來，我們將會看到更多更高能的光子漂流到我們地球。
注釋
[1] 論文的預印本見：https://arxiv.org/abs/1906.05521
[2] 蟹狀星云的超高能光子的來源有多個類型：有同步輻射光子，有溫度大約為46K的遠紅外光子，有毫米波段的光子，有微波背景輻射光子。但在100TeV以上區(qū)域，占據(jù)主導的是同步輻射光子和背景輻射光子（見：https://iopscience.iop.org/article/10.1086/423931/pdf，圖10）。本文提到的這項新研究認為這些被探測到的光子可能是背景輻射光子。
[3] 除了中國的天文官員之外，日本、印度、中東甚至美洲，都有人觀測了這顆超新星，但中國天文官員的記載最詳細。
王善欽，天體物理學博士，主要研究超新星爆發(fā)現(xiàn)象。
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