宇宙信使：伽马射线和宇宙线能告诉我们什么

以下文章来源于墨子沙龙 ，作者墨子沙龙

墨子沙龙.

墨子沙龙是中国科学技术大学上海研究院于2016年起举办的沙龙活动，主要以面向大众的自然科学科普为主，后期还将陆续添加人文、艺术、健康等主题的讲座或讨论内容。墨子沙龙每月一次，邀请国内外知名科学家为大家讲述科学的那些事儿。

内容来自墨子沙龙线上活动（2022年8月），演讲者是中国科学技术大学天文系特任教授杨睿智。

除却大家耳熟能详的、过去大多数天文学家最关心的光学波段，伽马射线和宇宙线也是天文观测的重要手段。

在可见光波段观测的传统天文学帮助牛顿建立了经典力学的大厦。然而可见光在整个电磁辐射的家族中只是很小的一部分。随着科学的进步，不可见的电磁波如射电辐射、红外辐射、微波辐射、紫外线、X射线和伽马射线等都可以用来对宇宙进行观测。

可见光仅仅是电磁辐射中一个非常小的频率范围

多波段天文学的发展，大大加深了我们对银河系和宇宙的了解。近年来，多信使天文学更进一步，让我们可以通过光子以外的探测手段来对研究宇宙。

除却引力波和中微子，宇宙线也是一类重要的“宇宙信使”。宇宙线是来自外太空的高能带电粒子，相较于中微子和引力波而言，它历史更加悠久。宇宙线最大的特点就是高能，目前人类探测到的宇宙线最高能量超过了1020电子伏特，比世界上目前最大的人造加速器LHC所能加速的粒子能量高1000万倍。但宇宙线的起源目前仍然是一个延续超过100年的世纪之谜。

宇宙线在我们的宇宙中扮演了重要的角色，它直接或间接地参与调控着许多重要的天体物理过程。

那么宇宙线如何探测呢？我们目前有两种手段：直接探测宇宙线或者观测它们与大气相互作用的产物。这两种测量手段各有优劣，将其相互结合就能够帮助我们溯源宇宙线，了解更多宇宙射线的信息。同时宇宙线和星际介质相互作用产生的伽马光子不会被宇宙内的磁场偏转，也成为了一个研究宇宙线的非常好的手段。同时由于伽马射线的特点，目前大部分的伽马射线天文仪器，也可以用来做宇宙线的直接观测。

我国新一代的宇宙线和伽马射线探测仪器叫“高海拔宇宙线观测站”，它的英文名称是LHAASO。LHAASO在非常宽的一个能量范围内的灵敏度比其他的仪器要领先100倍以上。我们非常期待它可以在宇宙线领域大展身手。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）

伽马射线和宇宙线对解决一些关键科学问题有着重大的科学意义。来自宇宙和天体物理过程的伽马光子和宇宙线可以轻松到达非常高的能标，远远超过了我们在对撞机上可以达到的能量，这能够帮助我们一窥超过粒子物理标准模型的物理学。

另外，宇宙线的起源作为世纪之谜，对我们现在天体物理理论和宇宙学理论都提出了挑战。同时，脉冲星可能是宇宙线的来源之一，由于脉冲星的自转特性，它可以作为性能非常优异的宇宙时钟。利用脉冲星的伽马射线信号有着独特的优势，有希望帮助我们探测波长很长的引力波。

宇宙线也可能来自于暗物质的衰变，因此可以间接观测暗物质。我们的悟空卫星已经在这个领域取得了国际前沿的重大进展，有希望在不远的将来告诉我们更多关于暗物质粒子的真相。

目前我国的新一代的伽马射线和宇宙线探测器，包括LHAASO和“悟空”卫星在性能上都已经达到了国际领先的水平，有望在一系列科学问题上取得突破。因此我欢迎有兴趣或者有志向的年轻人将来也加入我们，一起推进这方面的研究，探索宇宙的奥秘。

多信使天文学家族的重要成员

多信使天文学是近几年非常热门的一个科学前沿话题。传统的多波段天文学研究通过不同波段的电磁辐射信息来观测宇宙和天体物理过程。多信使天文学就是通过光子以外的探测手段来对宇宙进行研究。

近年来有几个比较引人注目的进展，一个就是2015年引力波的发现。特别是2017年美国的LIGO和欧洲的VIRGO直接探测到了一个双中子星合并产生的引力波，与此同时我们还看到了这个并合事件对应的伽马光子信号，这一事件是多信使天文学的一个里程碑。2017年Ice Cube（冰立方）探测器也首次探测到了一个和超大质量黑洞爆发活动成协的中微子事例。

除却引力波和中微子之外，宇宙线也是另外一种宇宙信使，而且历史更加悠久。宇宙线是来自外太空的高能带电粒子，它的主要成分是质子，也包括一些少量的重核，包括氦核、铁核。

高能的宇宙线和伽马射线

宇宙线最大特点是高能，目前人类探测到的宇宙线的最高能量超过了1020电子伏特，大概有10焦耳。一个微观粒子的能量居然和一个慢慢滚动的乒乓球这样一个宏观物体差不多，这非常令人震撼。这个能量也比世界上目前最大的人造加速器，也就是发现希格斯粒子的LHC所能加速的粒子能量，高1000万倍。

目前一般的理论认为，银河系内至少存在着可以把宇宙线加速到能量1015电子伏特（Peta electron-Volt, PeV)的源。我国的LHAASO在还没有完全建好的时候，就已经展开了观测，并且已经取得了一系列比较令人震惊的成果。我们在银河系中发现了12个伽马射线能量超过几百个TeV的辐射源，根据一些比较简单的理论预期，这些源内肯定含有能量超过PeV的宇宙线。

如何探测宇宙线和伽马射线？

我们可以在地球或者空间直接探测宇宙线，测量它的到达方向和能谱。但是因为宇宙线是带电的，而星际空间中存在磁场，所以到达地球上的宇宙线实际上已经在星际磁场中转了很多圈，完全丧失了初始的方向信息。而宇宙线和星际介质中的其他物质相互作用会产生伽马射线，可以在银河系的尺度自由传播，因此伽马射线可以用于追踪宇宙线的方向。

由于伽马射线的特点，我们目前大部分的伽马射线天文仪器也可以用来做宇宙线的直接观测。而大气对伽马射线和宇宙线不透明，所以要观测它们有两个办法，一个就是把探测器放到空间，或者在地面上观测伽马射线和大气相互作用产生的次级粒子。

空间探测主要利用康普顿散射以及高能光子从真空中激发一个正负电子对这样的粒子物理过程。

在地面上观测伽马射线、宇宙线是通过它们与大气相互作用产生的次级粒子。这些次级粒子，有一个专门的名词叫做广延大气簇射，英文叫Extensive Air Shower。“shower”英文如果直接翻译过来，可以翻译成“淋浴”或者“阵雨”，非常贴切。因为相互作用过程是一个比较高能的伽马射线或宇宙线粒子进入大气后与大气中的原子核相互作用，然后产生非常多的次级粒子，像一阵雨一样洒向大地。我们在地面上用粒子探测器来收集产生的次级粒子，就可以重建出入射的初级的伽马射线或者宇宙线的能量和方向信息。

除此之外还有一种更为间接的方法，通过探测次级粒子产生的切伦科夫光，从侧面照一张相，可以理解大气簇射在纵向的分布。

我国的宇宙射线和伽马光子捕手

我国新一代的宇宙线和伽马射线探测仪器叫“高海拔宇宙线观测站”，它的英文名称是“LHAASO”。

这是冬天探测器阵列的样子。图片左下角灰色的屋顶是做了遮光的三个大水池，是水切伦科夫探测器。绿色小盒子是电子探测器，而被雪覆盖的土包有1000多个，是缪子探测器。左边的蓝色小方盒子就是切伦科夫望远镜，一共有18台。

LHAASO在灵敏度上有非常大的优势。在10TeV以上能量范围内，它的灵敏度要比已有的仪器要高100倍左右。目前看来，在未来相当一段时间内LHAASO在这个领域将处于一个无可匹敌的地位。

除此之外我国的 “悟空”卫星是在空间当中直接探测高能电子的能谱。它拥有全世界最强的测电子总流量的能力。它得到了一个非常精细的总电子能谱，并且或许已经找到了一些关于暗物质粒子的蛛丝马迹，随着观测量的积累，我们会越来越接近真相。

宇宙线背后的重要科学问题

伽马射线和宇宙线对解决一些关键科学问题有着重大的科学意义。来自宇宙和天体物理过程的伽马光子和宇宙线可以轻松到达非常高的能标，远远超过了我们在对撞机上可以达到的能量，这能够帮助我们一窥超过粒子物理标准模型的物理学。另外，宇宙线的起源作为世纪之谜，对我们现在天体物理理论和宇宙学理论都提出了挑战。同时，脉冲星可能是宇宙线的来源之一，由于脉冲星的自转特性，它可以作为性能非常优异的宇宙时钟。利用脉冲星的伽马射线信号有着独特的优势，有希望帮助我们探测波长很长的引力波。进而帮助我们了解超大质量黑洞的并合以及宇宙早期所经历的物理过程。

另外，宇宙线也可能来自于暗物质的衰变，因此可以间接观测暗物质。我们的悟空卫星已经在这个领域取得了国际前沿的重大进展，有希望在不远的将来告诉我们更多关于暗物质粒子的真相。

杨睿智，现任中国科学技术大学天文系特任教授，研究领域为高能天体物理和伽马射线天文，主要研究兴趣为宇宙线尤其是河内宇宙线的分布与起源，银河系中心的高能天体物理现象，暗物质间接观测等。2007年毕业于中国科技大学近代物理系，2013年在中国科学院紫金山天文台获得天体物理博士学位，其后在德国马克思普朗克核物理研究所从事博士后研究。是高海拔宇宙线观测站（LHAASO）合作组成员。截至2022年共发表SCI论文70余篇，总引用超过4000次。

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原标题：《宇宙信使：伽马射线和宇宙线能告诉我们什么》

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