宇宙大爆炸的余燼

作者:一一奇聞 目錄:UFO  時間:2021-04-07 

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。

光,是我們無比了解的概念。物理學家奉告我們,光是由許多光子組成的。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。國際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實驗的勘探器勘探到來自蟹狀星云方向的24個能量逾越100萬億電子伏(100TeV)的超高能光子,其間能量最高的那個光子達到了450萬億電子伏(450TeV),是此前最高能量記載(75TeV)的6倍,是可見光光子能量的百萬億倍。相關作用對應的論文現已被物理領域頂尖期刊《物理議論快報》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?研討論文的作者們認為它們或許源于陳腐而低能的國際微波布景輻射[2]。那么,什么是微波布景輻射?它們怎樣變為超高能光子?它們又是怎樣被勘探到的?這篇文章以這批光子為主角,敘說它們奇幻漂流的終身。

國際大爆炸的余燼

大約138億年前,我們的國際比沙子還小得多,全部物質擠壓在極點小、極點熱的狹小區域內。接著,國際“爆炸”,我們以這個時刻的國際年歲為零。爆炸后的國際急劇脹大。在國際年歲從零到38萬年之間的階段,國際中許多光子與其他粒子劇烈磕碰,阻遏中性原子構成——這些高能光子會把電子與原子核離散。

在國際年歲為38萬年時,因為國際的脹大,那些高能光子的能量現已降到足夠低,不能持續離散原子,它們終究一次與電子發生磕碰后,就成為國際中散落的布景光子,電子也總算可以安安穩穩地與原子核結合為中性原子,國際也總算從一團迷霧相同的情況變為透明情況。

這個時刻,那些剛成為國際布景的光子的溫度大約是絕對溫度3000多度,宣告暗紅色的光。這是年輕時的國際的顏色。跟著國際持續脹大,這些光子的能量不斷下降,到138億年之后的今天,這些布景光子的溫度現已只需絕對溫度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“微波布景輻射”。

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現,證明了國際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,我們將微波布景輻射光子簡稱為“布景光子”。

圖:WMAP 衛星9年勘探得到的微波布景輻射分布圖,微波布景輻射沒有顏色,圖中顏色為偽色 | NASA / WMAP Science Team

在這漫長的138億年,這些布景光子在能量下降的一同,不斷漂流。但在我們敘說這些布景光子進一步漂流的故事前,我們還必須先敘說一個看似與它無關,實際上卻密切相關的故事:超新星爆發。

恒星的壯烈去世:超新星爆發

距離現在大約1千萬年前,位于地球金牛座方向的一個區域中的一團巨大的氫分子云總算點著了自己的中心,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。

通過大約1千萬年的演化,這顆恒星內部不再發生能量,巨大的引力占有優勢,星體向內劇烈縮短,將中心緊縮為一個幾乎完全由中子構成的細密星體——中子星,恒星的其他部分物質砸在鞏固的中心上,然后向外反彈,中心天體宣告的中微子幫助反彈物質向外爆炸,構成了絢麗的超新星。

超新星爆發后宣告的劇烈光芒向外傳達,通過大約6500年后,抵達地球上空,此時是公元1054年,我國正處于宋仁宗至和元年。北宋的地輿官員發現天空遽然出現了一顆新的星星,這就是出名的“天關客星”,也被稱為“超新星1054”(SN 1054)。這顆新的星星持續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:“臣伏見自上一年五月已來,妖星遂見,僅及周稔,至今光耀未退。”不僅如此,這顆超新星有23天可以在白日看到。[3]

圖:《歷代名臣奏議》中趙抃對1054年被觀測到的超新星的描繪。

出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,有兩位地輿學家先后指出蟹狀星云正在脹大,年歲大約為900年,地輿學家倫德馬克(Knut Lundmark,1889--1958)根據這些結論,結合我國古代典籍記載,猜測:蟹狀星云就是超新星1054的遺址。此后,哈勃(Edwin Hubble,1889-1953)通過觀測與核算,證明了這個結論。

1967年,貝爾(Jocelyn Bell Burnell,1943-)初度觀測到到脈沖星之后,人們很快在1968年發現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,發生的“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)攝影的蟹狀星云的圖像 | NASA / ESA, HST

上圖為哈勃太空望遠鏡(HST)于1999年到2000年攝影的蟹狀星云的多色圖,它的半徑現已擴展到6光年,即大約60萬億千米。因為其標準太大,HST分24次攝影了不同部分,然后把24張圖拼接為一張圖。

超新星遺址:巨大的加速器

全部的超新星在爆發幾年后,都將成為“超新星遺址”。超新星遺址里有許多彌散的超新星物質。這些物質內部的劇烈磕碰或許中心遺留的中子星的劇烈輻射會發生劇烈的沖擊波,這些沖擊波將超新星遺址里面的質子和電子加速到極高的速度——極點靠近光的速度。因此,超新星遺址自身就是無比巨大的加速器。

超新星1054也不破例,它在爆發幾年后也初步成為超新星遺址,即上面說的蟹狀星云。看似人畜無害的蟹狀星云里,也有劇烈的沖擊波,這些沖擊波將許多質子和電子加速到極點高速、極點高能的情況,四散開來。

極點高能電子與布景光子的磕碰

極點高能的電子四散開來之后,其間一部分朝著地球的方向飛來。這些極點高能電子執政著地球運動的進程中,充滿到超新星1054附近的低能布景光子們等到了機遇,它們經常被高能電子碰擊成高能光子。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,被超新星遺址加速的一批超高能電子碰擊了周圍的那些低能布景光子,將許多能量傳遞給那些低能布景光子,使得這些漂流的布景光子的能量從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,能量提高到原本的大約4億億倍左右,是可見光光子能量的百萬億倍。

圖:低能光子與高能電子磕碰,獲得巨大能量 | 王善欽

這個進程就如同一個身上只需1元錢的流浪者遽然被給予幾億億元錢,可謂一夜暴富。這些原本低能的光子從此成為披堅執銳的超高能光子,朝著地球方向奔襲而來。通過大約6500年,它們總算抵達地球。

光子與地球大氣的磕碰:大氣簇射

地球上空有一層厚厚的大氣,大氣里有許多的各類氣體分子。從太空中襲來的各類國際線與大氣分子中的原子核磕碰,力氣被大大削弱。因此使得我們免受高能國際線的損害。 

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,發生了其他高能粒子,這些高能粒子又與周圍的大氣分子中的粒子相互作用,發生了更多其他粒子,這個連鎖反應會發生多次,因此被稱為“大氣簇射”,其結果是一個高能粒子激宣告許多粒子。

圖:高能粒子在大氣中激起簇射的示意圖 | 王善欽

由這些超高能光子激宣告的許多帶電粒子中的一部分進入了位于西藏的羊八井ASgamma實驗的勘探器陣列。這個陣列的中心是水切倫科夫勘探器。什么是水切倫科夫勘探器?它的原理是什么?

切倫科夫輻射與水切倫科夫勘探器

1934年,切倫科夫(Pavel Cherenkov, 1904-1990)研討放射性元素釋放出的射線穿過液體的現象,發現液體宣告藍光,通過細心分析,他承認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,切倫科夫的伙伴弗蘭克(Ilya Frank, 1908-1990)和塔姆(Igor  Tamm, 1895-1971)說明切倫科夫輻射的成因:帶電粒子在液體中的速度逾越了光在液體中的速度,因此宣告了藍光為主的輻射。

根據愛因斯坦的相對論,真空中,任何物質的速度都不可能逾越光速。不過,在介質中,粒子的速度可以逾越介質中的光速。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;假設帶電粒子在水中的速度逾越每秒22.5萬千米,這個高速粒子就會宣告切倫科夫輻射。因為發現和說明了切倫科夫輻射,切倫科夫、弗蘭克和塔姆同享了1958年的諾貝爾物理學獎。

實際上,這一現象早在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)也預言了這個現象。但因為1905年誕生的相對論認為物質運動速度不會逾越真空中的光速,這兩人的作業靈敏被忘掉,直到20世紀70年代才被人從頭發掘出來。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)發現高濃度的鐳溶液宣告了暗淡的藍光,但沒有進一步查詢這類現象。

切倫科夫輻射被發現并被說明后,很快就被用來規劃勘探器。假設勘探器的介質用的是純水,就是水切倫科夫勘探器;同理,有重水切倫科夫勘探器、冰切倫科夫勘探器,甚至還有空氣切倫科夫勘探器。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絡繹,速度逾越水中的光速,宣告幽藍的切倫科夫光。

圖:位于里德學院的供科研運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實驗的勘探器的勘探

位于西藏海拔4300米處的羊八井的勘探器由多個裝滿高度純凈水的切倫科夫勘探器組成,每個勘探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勘探器方面的技術國際領先,出名的神岡勘探器與其晉級版——超級神岡勘探器都是水切倫科夫勘探器,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。

羊八井項目分別由我國科學院高能物理研討所和日本東京大學國際線研討所擔任中日兩頭的事務,于1990年結束第一期,此后多次晉級。2014年,制作成位于地下的水切倫科夫勘探器。這個新制作的地下勘探器使羊八井實驗組成為勘探超高能國際線方面最活絡的小組。

那些漂流的超高能光子激宣告的許多高速、高能帶電粒子穿過羊八井實驗組安排在地下的水切倫科夫勘探器后,發生切倫科夫光,這些光打到光電倍增管,后者將信號擴展,傳輸到終端,勘探結束。

至此,這群漂流的光子及其能量的“繼承者”們的奇幻旅程總算結束。

在勘探到信號之后,中日科學家通過精確的核算與分析,反推出這些發生輻射的粒子的源頭是一批超高能光子,其間24個能量逾越100萬億電子伏,逾越此前的勘探記載;其間,能量最高的達到了450萬億電子伏,是此前被勘探到的最高能光子的能量的6倍。

LHAASO:更強的勘探器

2018年6月,我國初步制作位于四川海拔4410米的稻城、占地1.36平方千米的“大面積高海拔國際線觀測站”(LHAASO),估量耗資12億元,現在現已建成一部分。LHAASO由多個廣角空氣切倫科夫勘探器、上千個地下的水切倫科夫勘探器、占地近8萬平方米的地上的水切倫科夫勘探器和幾千個閃爍液勘探器構成,可以用來勘探三個能量范圍內的伽馬射線和“國際線”。這個項目的活絡度比羊八井勘探器的活絡度高至少幾十倍,將對超高能帶電粒子和超高能光子的研討發生更深遠影響。

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。

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