在青藏高原上捕捉高能粒子

戴铭珏

高原上的探天联盟

天空中的点点繁星总能引起世人无限的遐想。人们想知道那些星星离我们有多远？它们为什么会发光？为此，古人修筑了许多高台，比如通天台、鹿台、章华台和孔雀台等。他们认为离天空越近，就越容易窥见星星的秘密。

后人也是遵从这种思路，不仅将天文台修建在高山上，而且直接向外太空发射了很多望远镜，去太空观看星星。要把探测天空的装置安置在高处，对中国来说最好的地方就是青藏高原。因为那里海拔5000米以上的地方比比皆是，有着得天独厚的观测条件。我国就选在了西藏的羊八井地区建立了宇宙观测站。羊八井宇宙线观测站可不是一个普通的观测站，它既没有光学望远镜可收集可见光，也没有巨大反射面的射电望远镜观测红外线和紫外线，它只观测高能宇宙射线，是一个宇宙高能粒子观测站，在世界各地的观测站中有着自己特殊的地位和作用。

羊八井宇宙线观测站位于西藏念青唐古拉山脚、海拔4310米，其气象条件很适合宇宙探测。那里吸引了多国科学研究机构前来合作交流，如我国与德国合作的亚毫米波射电望远镜是用来探测银河系的星际分子的，与日本合作的宇宙线研究项目——“中国西藏羊八井广延大气簇射阵列”则第一次观察到一个超高能伽玛射线天体。

排兵布阵捕捉高能粒子

高能粒子含有的能量比光子要高得多，光学望远镜通常接收不到。它们具有一种奇怪的特性，当这种离子进入地球大气层的时候，会与大气层发生反应。

广延大气簇射示意图

地球的大气层中有氧气和氮气，这里面就包含着氧原子和氮原子，它们的原子核比较坚硬，但是遇到来自宇宙深处的高能粒子时，它们就像/个土坷垃那样瞬间土崩瓦解。高能粒子就像一颗高速飞行的子弹，能立刻将它们击得粉碎，这些碎片被称为“次级粒子”。随后，这些次级粒子会向周围散开，转而撞击更多的其他粒子。这些其他粒子在粉碎以后，还会进一步碰撞更多的粒子。这一系列的撞击会产生一种现象，就是在地球大气中出现闪光，这种闪光被称为“广延大气簇射”。

利用这种原理，科学家就可以建造相应的探测设备，比如探测“广延大气簇射”的是切伦科夫望远镜，也可以在水池中建造一些探测器来接收这些高能粒子。而羊八井宇宙线观测站采用一些塑料闪烁体来替代大气层并接收这些粒子。这些塑料闪烁体看起来是半透明状的，受到高能粒子的击打后，会产生光电反应，从中可以观察到粒子的运动方向和能量状态，从而进一步反推判断这些粒子的性质。

单个塑料闪烁体的大小相当于一个箱子。若想指望它来捕获高能粒子，可能十几年也捕获不到一个。如果能够增加接收面积，捕获的概率就会大大增加。因此，羊八井宇宙线观测站采用了排兵布阵的方式，建立起一个庞大的塑料闪烁体单元阵列。1990年，羊八井宇宙线观测站建成了只有5个单元的一期工程，后经多次改造，羊八井宇宙线观测站不断增加了塑料闪烁体的数量，单元阵列的占地面积也随之越来越庞大。2014年，羊八井宇宙线观测站的闪烁体单元阵列达到了前所未有的6.5万平方米。

为了相互对照，羊八井宇宙线观测站还在地下建造了另一种原理的接收装置，这就是有效面积为4200平方米的地下缪子水切伦科夫探测器阵列，它与塑料闪烁体单元阵列组合在一起后被称为“羊八井ASy实验阵列”。它们一个在地上，一个在地下，共同编织成一张天罗地网。它们之间有着明确的分工，地下缪子水切伦科夫探测器阵列可以判断出不属于高能粒子的成分，让塑料闪烁体阵列可以专心地接收高能量的伽马射线辐射。

羊八井ASy实验阵列静静地屹立在青藏高原上，等待着伽马射线的爆发。伽马射线可能一直不会产生，但如果产生便会如暴风雨般地突然出现一阵子射束，前后不到一秒。它可以记录宇宙中射来的伽马射线的一系列性质，比如密度、方向和快慢等。

来自蟹状星云的高能粒子

在观测的早期，科学家也曾探测到高能粒子，但囿于当时探测设备的灵敏度不够高，获取的各种数据十分模糊。经过改扩建后的设备实现了优势互补，它们在2019年取得了很大的成就。

宇宙中最高能量的粒子就数伽马射线。伽马射线包含的能量会有多高，科学家還说不上来，只知道以前接收到的最高能量的伽马射线粒子有75TeV，但是，羊八井AS丫实验阵列接收到的伽马射线能量最高达到450TeV，这比己知的能量高6倍，这让天文学家大开眼界。

这个最高能量的粒子来源于蟹状星云，在长达3年的时间内，羊八井AS丫实验阵列接收到了24次来自蟹状星云的伽马射线，这是高度可靠的事实。而且，每一次接收到的粒子包含的能量都在lOOTeV以上。

一般的粒子从遥远的宇宙来到地球的时候，会受到银河系磁场的影响，方向会发生改变，我们也就无法判断它究竟来自于何方，但伽马射线粒子则不同，它不带电，也就不受磁场影响，它会一直向前奔跑。因此从接收到的信号就可以判定，它是来自于蟹状星云。

羊八井宇宙观测站

蟹状星云是一个超新星爆发的残骸。1000多年前的宋朝，中国的天文学家记录了一次超新星爆发，这次爆发后留下的残骸就是蟹状星云，目前这个大名鼎鼎的蟹状星云距离地球6500光年左右。

这些高能粒子表明，蟹状星云是银河系内天然的高能粒子加速器。与目前世界上最大的人工电子加速器相比，蟹状星云的电子加速能力至少高了上万倍。正是蟹状星云中的一颗脉冲星加速了高能粒子。当年恒星爆发之后，便产生了这颗脉冲星，它正以0. 033秒自转一圈的高速旋转着。它不仅能在光学波段被观测到，而且在其他所有波段都可以接收到它的信号。如今，蟹状星云再一次与我国的天文学事业联系在了一起，正是位于青藏高原上的羊八井ASy实验阵列捕获到了最高能量的粒子。

当然，这并不是羊八井ASy实验阵列唯一的工作。它是一个捕获高能粒子的“高原哨兵”，通过研究高能粒子，科学家就能进一步发现宇宙正在发生的重大事件。伽马射线产坐的原因有很多，但可以肯定的是，只要发生伽马射线暴，那一定是宇宙中正在发生重大事件。要么是l颗星球的消亡，要么是2颗星球的撞击。对于这些重大事件，羊八井ASy实验阵列都能精确地发出警告。

ASgamma探测单元

羊八井ASy实验阵列所取得的成果表明，在高原上捕获宇宙深处的高能粒子确实有奇效。今后，我国还将在四川稻城建设大面积、高海拔的宇宙线观测站（LHAASO），目前部分设备已经建成并投入观测运行，该观测站全面建成后可能会捕捉到更高能级的宇宙粒子。