宇宙深处,活动星系核是可能的河外宇宙线源

2019-08-03 04:50栏目:奥门新萄京娱乐场
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徐东莲:高能宇宙射线的起源之谜百年未解,冰立方在2013年探测到的高能天体中微子源头也一直没找到。这个发现表明有一些耀变体确实能加速宇宙射线到几十PeV(1015 eV)到几十EeV(1018 eV)的能级,这些高能宇宙射线与耀变体源头的伽马光子反应产生了高能中微子,因此这也同时部分回答了冰立方所探测到的高能中微子的来源问题。

宇宙线能谱总体上可以用一个幂律谱来描述,但由于幂律谱指数γ的变化形成了一些特殊的能谱结构,分别是在1015~1016eV 的“膝”区和1018~1019eV的“踝”区,另外1017eV左右的一个结构称为第二“膝”区。一般认为,“踝”区以下的宇宙线可能起源于银河系,通常称为银河系宇宙线,而“踝”区以上能量大于1018eV 的宇宙线由银河系外天体产生,通常称为极高能宇宙线。对于银河系宇宙线,“膝”区以下的低能宇宙线为质子占主导;第二“膝”区到“踝”区,质子的丰度明显受到抑制,重核慢慢占主导,这很有可能是由于银河系源的加速极限或者粒子逃逸导致的。

《科技导报》:在这样一个国际化的大合作组工作是什么样的感觉?

图3 AGN的几何结构示意图

《科技导报》:请介绍一下冰立方这个项目的背景。

AGN是目前探测到河外高能伽马射线数量最多的天体,它也是极具竞争力的河外极高能宇宙线起源的候选者。所以,对AGN的研究是对理解河外极高能宇宙线的加速、传播等过程的重要手段。多信使观测时代的到来意味着我们迎来了研究AGN和高能宇宙线的最佳时机。我国科学家提出并在建设的高海拔宇宙线观测站LHAASO既是高能伽马射线探测器,也是高能宇宙线的探测器,由多个性能先进的探测系统组成,形成多参数宇宙线复合观测站,在国际上具备领先的优势,为彻底解释宇宙线河内到河外起源的过渡提供连续一致的实验结果。

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六、总 结

冰立方在2012年首次探测到2个PeV能段的级联事件,是科学家寻找多年的高能天体中微子出现的有力证据。而到达地球的天体陶中微子只能通过中微子在宇宙尺度基线上的振荡产生,因此探测到天体陶中微子既可以再验证冰立方探测到的高能中微子确实来源于地球之外,另一方面也可检验中微子在宇宙尺度上振荡是否符合已知规律,是否会出现标准模型无法解释的新现象。我因此转向并成功创建了甄选高能天体陶中微子的双脉冲波形算法,该算法至今还被冰立方合作组广泛应用于天体陶中微子的甄选。

轻子模型主要考虑的就是高能电子与喷流中的软光子产生的逆康普顿散射,从而辐射高能伽马射线。轻子模型是解释喷流AGN或者耀变体辐射最成功的模型。

另一个磨炼人的过程是课题的审查。对于每一个会产生可发表结果的课题,冰立方合作组内部有严格的审查规定,一般合作组领导层会指派至少两位资深专家对课题进行审查,过程通常会持续几个月。审查专家团一经成立,分析人与他们的“激战”就开始了,所有好的坏的问题像狂风暴雨一般袭来,分析人只能提剑迎战,见招拆招,这样“恶战”几十甚至几百个回合,直到专家团通过。所以,一个课题结题后,分析人一般都会去旅行一趟,恢复元气。

当光子能量为~1MeV的时候,会发生光致电子对产生反应;当光子能量更高时,就会发生光介子过程。带电的π介子随后就会衰变产生轻子和中微子。中性的π介子会衰变成双光子。这些过程产生的带电介子也可能通过同步辐射过程产生高能光子。当这些过程辐射出来的光子能量?1TeV ,还可能发生双光子湮灭过程。双光子湮灭后就会诱发电磁级联过程,辐射出最终我们观测到的伽马射线谱。图4 给出了强子模型过程的示意图。

《科技导报》:为什么要在南极的冰中建中微子望远镜?北极的冰不可以吗?

图5 星系团中心喷流AGN产生的宇宙线传播示意图

图3 1个缪子中微子与1个冰原子核发生反应产生的缪轻子,在穿越冰层时发出了蓝色的切伦科夫辐射(图片来源:IceCube/NSF)

活动星系核高能辐射的产生主要可以用轻子过程和强子过程来解释。

这也是人类首次探测到银河系外的超高能中微子源,并且实现了多信使的协作观测。验证了我们确实可以利用幽灵一般的中微子来研究遥远的宇宙,意味着高能中微子天文时代的到来。

宇宙线发现100年来,人们对其成分、产生和加速机制、及其传播效应进行了广泛的研究,并获得了丰富的天体物理信息,但其起源至今仍然不清楚。一般认为相对低能的宇宙线起源于银河系内,极高能宇宙线起源于河外。而作为宇宙中最明亮的河外天体,活动星系核很可能是河外宇宙线源。随着多信使观测时代的到来,我们拥有了前所未有的从整体上去理解高能伽马射线和河外极高能宇宙线最好机遇。

《科技导报》:探测器为什么要埋在地下?

图1 能量大于1013eV宇宙线能谱。不同符号不同颜色的数据点分别代表着不同的探测器,如图标所示。

《科技导报》:这个发现意味着什么?

对于AGN和高能宇宙线,未来LHAASO的观测可能会在研究中起到关键性的作用。从图6可以看到,LHAASO在同代探测器中最大的优势就是对高能伽马射线的观测覆盖了整个TeV能段,把观测能段拓展到了1PeV,并且在100TeV~1PeV能段拥有前所未有的观测灵敏度。通过LHAASO的观测,我们就可以直接观测到AGN能谱的尾部,从而限制AGN的辐射模型、粒子加速机制等,会给我们带来AGN甚高能辐射的新认识。TeV能段的高灵敏度可以让我们观测到以前观测不到的AGN在TeV 能区的耀发。与此同时,LHAASO 不仅仅是TeV 伽马射线探测器,它还是一个宽波段的宇宙线观测器,覆盖能量范围1012~1017eV,我们可以利用LHAASO的观测以前所未有的统计性和分辨率重构该能段的宇宙线能谱,并且可以分别研究宇宙线中的轻的和重的组分的各项异性的问题。同时,我们还可以通过LHAASO的观测来直接研究广延大气簇射的模型。

图2是冰立方冰面实验室,内部主要存储数据读取的大型计算机阵列。下方蓝色晕染中的黑色圆点是探测器的基本元件DOM,一共有5160个DOM埋在深冰里,静待中微子与冰原子核反应后产生的切伦科夫辐射蓝光。

近十年来,由于大气切伦科夫成像望远镜技术的不断成熟,甚高能伽马射线的探测取得非常大的突破。在GeV-TeV能段,无论是空间伽马射线望远镜Fermi-LAT,还是地面切伦科夫望远镜H.E.S.S.,MAGIC,VERITAS阵列,都极大地拓展了甚高能伽马天空,获得了上千颗伽马射线源。这些已运行的探测设备和一些正在建设中的大型设备将在未来5~10年获得更精确的观测数据,帮助我们了解宇宙线的起源。

徐东莲:宇宙射线是高度电离的带电粒子,主要成分是质子,在1912年被维克托 · 赫斯(Victor Hess)发现。带电的宇宙射线在穿越星际空间时,运动方向会受到磁场作用发生偏转,被探测到时无法指回源头,科学家经过1个多世纪的研究,还没有弄清楚它的成因,尤其是所探测到最高能的宇宙射线的能量(1020 eV)比目前最大的人造粒子加速器(1012~1013 eV)还要高7~8个数量级。因此宇宙射线起源问题是一个百年难题,被《Science》杂志列为125个21世纪前叶亟待解决的难题之一。

戴本忠 杨深邦云南大学物理与天文学院

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多信使时代的到来,给我们带来各种粒子光子的观测数据的同时,也给我们的研究带来了不同的思路。宇宙线、中微子、高能伽马射线可能存在极大的关联,联合所有的数据,就能对不同的理论模型进行限制。因此,多信使观测时代给极高能宇宙线起源和传播过程的研究提供了良好的机遇。同时,AGN依然是极高能宇宙线起源的重要候选者,我们需要对其高能粒子的加速、辐射冷却、粒子逃逸等过程进行更深入的研究。

徐东莲:位于南极的冰立方中微子望远镜发现了高能天体中微子和蝎虎座BL型耀变体(BL Lac object)TXS0506 056相关联的证据。这是除了太阳和1987年在大麦哲伦星云爆发的超新星SN1987A外,人类探测到的第3个中微子天体源,并且此次发现的中微子能量比之前两次发现的中微子能量高约1亿倍。耀变体(blazar)是活动星系核(AGN)的一种,中心引擎是一个超大质量的黑洞,在黑洞吸积的作用下形成相对论性喷流,而喷流方向指向地球的活动星系核被称为耀变体。图4示意了耀变体喷流指向地球,并发射伽马光子和高能中微子。中微子被南极的冰立方望远镜探测到,而伽马辐射则被费米卫星伽马望远镜和地面的大气切伦科夫望远镜MAGIC探测到。

当喷流AGN加速宇宙线粒子到相当高的能量时,极高能宇宙线从喷流中泄漏出来,进入星系团的介质空间。星系团的介质空间可能有较高的磁场和物质密度,当宇宙线的能量较低时,就会在星系团的维力半径内进行扩散运动,与里面的物质发生相互作用,产生中微子和伽马射线,直到耗尽能量也不能逃逸出星系团;当宇宙线的能量达到一定的阈值,宇宙线就会在介质空间里面进行半扩散运动,同样可能与物质碰撞产生中微子和伽马光子,但会逃逸出星系团,进行星系际空间的传播;而最高能量的宇宙线会不受任何作用,直接沿着原来的传播方向逃逸出星系团,进入星系际空间传播。

style="font-size: 16px;">注*奥门新萄京娱乐场 ,*:**本文将在近期《科技导报》发表,敬请关注。 class="backword">返回搜狐,查看更多

图4 喷流活动星系核强子模型示意图

《科技导报》:你们发现了什么?

强子模型和轻子模型最大的区别在于强子过程会伴随高能光子的辐射,产生高能中微子,如果我们观测到来自AGN的高能中微子,就能初步确定强子过程的存在。

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一、引言

作者简介:徐东莲,李政道青年学者和上海交大物理天文学院特聘副教授,研究方向为高能天体中微子和中微子天文。

二、宇宙线及其基本性质

当然,这对科学结果却是极大的好事。经过如此严格的过程,冰立方合作组发表的结果,都一致获得杂志的高度评价,出错率和拒稿率几乎为零。

从电磁辐射到引力波再到高能中微子的探测,我们获得了更多来自宇宙的信息,让我们可以更全面的了解天体和宇宙,也让我们对天空中最强大的天体和事件有了更重要的新见解。随着多信使观测时代的到来,我们也迎来了研究一些困扰已久的难题的最好时机,如宇宙线及其起源问题。极高能宇宙线起源的最可能候选者之一的活动星系核的研究,在这个时代中很有可能会取得突破性的进展,从而让我们重新认识这一类河外极端天体。

徐东莲:最初的计划是要去北极,在北半球,交通费用也会低很多,但是初步考察发现北极的冰太“脏”,冰层里沉积了大量的尘埃,导致光子散射和吸收的程度太高,不适合建大型的中微子望远镜。而对南极的冰川冰研究表明,经过几万年的沉积和挤压,几百米以下的冰中已没有气泡,同时南极的冰川冰对光子的散射和吸收长度平均达几十米和100米以上,是地球上最透明的介质之一,因此很适合建大型的中微子望远镜(图6)。

普遍认为银河系宇宙线的来源是超新星遗迹,最近观测到的超新星遗迹的强子过程可能是这个观点的一个强有力的证据。然而,一些新的观测证据也表明银河系中心黑洞也可能是银河系宇宙线的来源。但肯定的事实和结论,如同对极高能宇宙线的认识一样,还需要更多的观测和研究。

在一个国际合作组里,青年科学家是研究的中坚力量,除了富有洞见的项目领导人外,拥有一支朝气蓬勃,又充满竞争力的年轻科学家队伍是大科学项目成功的关键。2017年初,我当选为冰立方青年科学家代表(early career scientist representative),负责的工作又增添了新内容:列席冰立方董事会,代表冰立方全球180多位青年科学家参与项目重要事务的决策,并提出有效方案来提升青年科学家团体和整个合作组的协作效率,提高技术性文章发表率等。

我们可以把AGN分成喷流AGN和非喷流AGN两大类。喷流AGN中的相对性喷流的动能带走了大部分的吸积的释放能量,而非喷流AGN则通过辐射的形式来耗散吸积能,又称为“辐射型”AGN。

43 s内,冰立方望远镜即将中微子的初估方向通过多信使天文望远镜网(AMON,Astrophysical Multi-messenger Observatory Network)向全世界的望远镜预警。HESS、VERITAS和MAGIC等非常高能的(very-high-energy, VHE)大气契伦科夫影像伽马望远镜在收到预警后的数小时即对IceCube-170922A进行了跟进观测,但是没有探测到VHE伽马光子。9月28日,费米卫星伽马望远镜首先探测到该中微子方向上有增强的GeV能段伽马辐射,并发现该辐射源是已知的耀变体TXS0506 056。受到费米发现的驱动,MAGIC在9月28日起又对该中微子方向跟进观测了累计13 h,并最终探测到在80~400 GeV能级的高能伽马辐射。至此,IceCube-170922A与耀变体TXS0506 056相关联的证据已较为明显。但这个高能中微子与TXS0506 056耀变体是否有可能只是随机方向重叠而并没有直接物理关联,综合考虑到目前已探测到的所有耀变体和冰立方已探测到的所有高能缪子中微子,以及冰立方过去已发送过的所有高能中微子预警,这个随机概率以3σ(99.7%)的置信度被排除。

活动星系核是一类中央核区具有激烈活动的河外星系,是宇宙中已知的最亮的天体,占河外星系的总数10%不到。一般认为,AGN中心存在一个质量在106~1010太阳质量的超大质量黑洞,通过吸积周围的物质从而释放出大量的能量,总光度可大于1048ergs s-1,并存在吸积盘和尘埃环等物质成分,部分AGN还会在吸积盘的垂直方向形成准直的相对论性喷流。图3给出了AGN的几何结构示意图。

图2 冰立方冰面实验室(图片来源:IceCube/NSF)

图6 给出目前正在运行和正在建设的伽马射线探测设备灵敏度曲线。随着LHAASO,CTA和HiScore三个甚高能伽马射线探测器的运行,未来我们将在1%Crab灵敏度下获取伽马天文观测数据。我们的观测也将覆盖整个TeV能段。

图4 耀变体喷流指向地球艺术图(图片来源:IceCube Collaboration/Google Earth:PGC/NASA U.S. Geological Survey Data SIO,NOAA, U.S. Navy, NGA,GEBCOLandsat/Copernicus)

甚高能伽马射线被认为几乎完全来自于高相对论粒子与环境物质或光子场的相互作用。产生于天体极端环境条件下相对论性高能带电粒子的辐射、宇宙早期产生的重粒子以及暗物质粒子的衰变和湮灭等非热辐射过程,是研究高能宇宙线起源及加速机制、天体的相对论性非热辐射过程的主要探针,也是研究伽马射线暴、洛伦兹破坏及间接测量暗物质粒子等的重要手段,还可用来测量河外背景光子场、星系际磁场及哈勃常数等重要宇宙学参数。

徐东莲:因为宇宙射线撞击大气原子核产生了海量穿透力很强的缪子轻子,是实验本底的主要来源。然而,穿透力再强的带电缪子也无法穿越整个地球,但绝大部分中微子可以轻松做到(1个TeV能级的中微子穿越地球过程中约发生1次反应)。所以,冰立方是一个利用地球作“滤镜”而“俯视”北半球星空的中微子望远镜(图3)。

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极高能宇宙线从AGN加速逃逸出来,经过星系际空间的传播,由于地球大气的存在,宇宙线将会在地球大气中发生广延大气族射,地面实验主要是通过测量大气簇射间接测量原初宇宙线。目前主要的极高能宇宙线观测站为位于阿根廷的PAO和美国的TA。这两个几乎覆盖了整个天区的探测阵列,观测到了很多极高能宇宙线事例和极高能宇宙线各向异性的分布。2017年PAO实验组发布新的观测数据,展现了一个8EeV以上的极高能宇宙线在天空中的呈现的偶极分布的各向异性,同时主张这些宇宙线起源于河外。但是由于分辨率的问题,观测到的事例数还不足以确定极高能宇宙线的起源。

徐东莲:不像高能伽马光子,天体中微子没有视界,可以穿越遥远的宇宙空间,带来发生在宇宙边缘的信息。另外,中微子甚至可以轻松穿透对高能伽马光子致密的天体环境,带来隐藏在这些高能致密的宇宙角落里的新信息,让科学家得以窥见这些“隐秘”的场所,或“暗源”。例如2014年12月在TXS0506 056方向上的中微子集聚事件,就没有伴随明显的伽马辐射增强,该现象现在还没有很好的模型可以解释。这种传统电磁望远镜“火眼金睛”也无能为力,鬼魅一般看不见摸不着的中微子却能提供全新的视角,就像人类开了“第六感观”来探索宇宙一样。

我国科学家经过半个多世纪的努力,通过在海拔4300米的西藏羊八井宇宙线国际观测站建设运行的中日合作ASγ实验和中意合作ARGO实验,开始了伽马天文的观测研究,取得了一系列具有较高国际显示度的研究成果。为探寻宇宙线的起源,冲击世纪难题,我国科学家进一步提出并在四川稻城建设以测量簇射及其μ子含量为核心的大型复合式探测器阵列——高海拔宇宙线观测站。该计划利用中国特有的高海拔观测基地在扫描观测中的有利条件,强调与Cherenkov探测技术的互补性,由4种探测器集成为一个覆盖1 km2的复合探测器阵列。通过高水平的国际合作,LHAASO将建成为世界高海拔甚高能伽马天文观测研究中心,并作为国际上最为活跃的宇宙线物理实验研究平台,与PAO,CTA,IceCube等重要观测设备一起,通过多波段多信使观测,为国际伽马射线天文研究领域做出贡献,为解决宇宙线的未解之谜作出贡献。

图1 宇宙射线与地球大气原子核碰撞示意(图片来源:Asimmetrie/INFN)

图2 各种可能加速宇宙线的天体在Hillas图的位置。在红线以上的天体可以加速铁核到1020eV,蓝线以上的天体可以加速质子到1020eV。可以看到AGN可能具备加速宇宙线粒子到极高能的能力

徐东莲:总的来说,跟很多聪明人聚在一起解决前沿的科学难题,感觉非常棒。然而在研究生早期,不时地要鼓起勇气去问资深同事一些比较“愚蠢”的问题却是很痛苦。但这也是一个非常磨炼人的过程,从一开始担心“被拒绝”,到坦然接受,到后来的不介意,再到现在积极去摸索提高与他人成功协作的方法。其实最好的合作方法也是老生常谈:平等互助,真诚相待。获得合作者的任何帮助,不要吝啬公开表达感谢,同时自己也不吝啬地去帮助他人。

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