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來自天鵝座的神秘訊號!1萬年前發信,能量高達1400萬億電子伏特

2024-04-26科學

地球深處茫茫宇宙,每時每刻都會遭受看不到的射線轟擊。

來自遙遠太空的宇宙線,所攜帶的能量也存在差異,到達地球後,在與大氣層的碰撞中,又會進一步產生別的反應。

最終被地面探測到的反應,就像遙遠的深空裏,某個不知在何處的天體,對地球發出的「吶喊」。

來自天鵝座的「吶喊」

海拔4000米以上的稻城縣,當地有一座特有的宇宙線觀測站。2021年的報道顯示,探測儀器監測到了來自天鵝座的「吶喊」。

儀器在運作的過程中,記錄到了1400萬億電子伏特Gamma光子。相比於此前的記錄,這次觀測到的能量光子是最高的。

(稻城縣的拉索觀測站)

發出「吶喊」的天鵝座,在科學家的眼裏本身就獨具特色。在該處區域內,擁有大量恒星星團,它們因為自身質素太大,所以才造就了銀河系的北天區成為最亮區域。

除此之外,這些大質素的恒星壽命也相對較短。一生之中存在著不少劇烈的活動,而且相比於小質素的恒星而言,這類活動在時間線上又是相對集中的。

從人類的角度看,這一區域內具有復雜的強激波環境,進而也會有大量的宇宙線誕生於此,而後再向宇宙的深空進發。

形象一點去理解,在整個宇宙中,這片區域就像是吵鬧的迪廳,大質素恒星在迪廳裏使勁嗨,產生的各種聲響,就都傳遞出去了。

在科學界,天鵝座的這片區域,也有著粒子天體物理實驗室的稱號。此前在稻城縣觀測站觀測到的Gamma光子,是迄今科學家觀測並記錄到最大的。

那麽,這來自外太空的「吶喊」究竟是什麽呢?

高能粒子流的沖擊

宇宙深處的「吶喊」不是聲音,而是看不見的射線。確切一點說, 是高能粒子匯聚在一起形成的流體。

你可以將其理解為是電磁波,但是其本身攜帶的能量要比普通的光子大很多。自身帶電又是流體狀態,速度更是和光速不相上下。

只要離開了大氣層,宇宙空間到處是這些玩意兒。而像地球這樣的天體又身處宇宙中,粒子流到處亂跑,自然就能和地球迎頭相撞。

厚厚的大氣層不但能阻隔它們的穿透,其中的原子核也會因為與其碰撞後而發生反應。

通常來說碰撞之後,會形成幾種基本的粒子:電子、正電子、光子和介子等等。

因為碰撞過程也會導致其自身能量損失,所以當其中一些穿越大氣層,接觸到地球的時候,它們就已經變身成為一些穩定的粒子了。像電子、質子等等,都會是在碰撞之後的變身產物。

也有很小的一部份,在經過一系列的碰撞後會形成反質子等反物質體子。在科學家多年的研究中, 宇宙線裏九成以上的粒子,都是電子、光子或者質子。

有意思的是,整個宇宙包括各星系內都有磁場,而宇宙線自身又是帶電的,所以在宇宙空間內運動傳播時,因為磁場的作用會發生偏轉導致方向不斷改變。

不少宇宙線最終到達地球後,因為方向的改變,導致其實際出發的地方很嫩被追溯到。所以目前專門的探測技術,本身的難度也不是一般的高。

也正因為探測難度不小,所以才會修建像稻城縣那樣的觀測站點。

探測方式的類別和方法

稻城縣的觀測站點,在類別上屬於高山高原探測裝置。中國目前除了稻城縣境內的哪一座, 在雲南海拔3200米的區域,西藏海拔5500米的甘巴拉山,也都建設有高原探測站點。

這類探測站點,主要針對超高能宇宙線。這類宇宙線能量和流強之間的關系,會隨著和大氣層發生多次作用而發生變化。

設定在高原高山上的探測站點,就是為了能夠采集到更多的事例,這樣才能對其展開有效的研究。

還有一類探測站點,它被設定的位置更高。有些設定在移動的飛機或是氣球上,有些甚至坐上了火箭進入外太空,被設定在衛星上。

這類高空探測的方式,主要是用來探測初級宇宙射線的。利用探測器,可以有效的探測它們的速度、能量和電荷等情況。

上述兩類探測站點和探測器,都是設定在高處的,還有設定在水平層面的探測站點。

這類站點監測的宇宙線是次級的,一般其自身攜帶的能量,只有1014到1016電子伏特。

由高到低,那有沒有設定在地下的探測站點呢?還真的有。 地下的探測站點,主要是用來探測微中子等粒子的。

因為,宇宙線中別的粒子無法穿透地球,在接觸到地球後會被地表阻擋吸收。而微中子等其他粒子,則可以暢通無阻穿透地球。

所以綜合來看,從高空到高原,再到平地和地下深處,探測宇宙線的類別不同,所用的方式方法也存在差異。

值得一提的是,上面提到的位於高原地區的觀測站點,在技術手段上屬於第一代和第二代,四川稻城的觀測站點,則屬於第三代產品。

2021年報道探測到宇宙線的時候,觀測站整體還沒有完全建成。

為什麽把第三代觀測站設定在四川

2021年時,稻城縣的觀測站點,其規模建成了二分之一。至於將觀測站點設定在稻城,主要有幾個因素的考量。

首先是當地海拔高,利於探測到初始的宇宙線。其次是觀測站所在地交通方便,其距離附近的亞丁機場只有8公裏,而且觀測站的山下就是四川227省道。

最後一點便是費用問題。整個探測站的建設,國家層面拿出了9億元,四川當地則拿出了3億元。所以有地方政府的大力支持,觀測站最終就落戶稻城縣了。

在觀測站建成一半規模時,除了探測到來自天鵝座的宇宙線外,還探測到了另外12個Gamma射線源頭。

截止到2023年5月,該探測站點建成並且透過了國家驗收,它的正式名稱為拉索站。

觀測站整體的面積為1.36平方公裏,除了1188個繆子探測器外,還設定有5216個電磁粒子探測器。

此外, 還有面積為78000平米的水切倫科夫探測器列陣,18台望遠鏡組成的探測列陣等探測器材。

有人可能會疑惑,花十幾個億,在高原上建設這麽個站點,就是為了監測從宇宙深處射到地球上的幾縷線的,它真正的作用是什麽呢?

為什麽要研究宇宙線

對於宇宙線的研究,在科學上並不長,到20世紀初科學家才發現了宇宙線。

透過對宇宙線的確認和觀測,科學家又發現了多種粒子。 在這個過程中,也逐漸明白了核分裂、聚變、核反應是怎麽回事。

研究宇宙線,對大多數人來說似乎沒什麽作用。不過在物理學界,對於宇宙線的了解和研究越深入,就越是能讓人類掌握更多前沿的科學技術。從理論再到實踐,都是對這一前沿領域的研究才逐步獲得的。

所以從這個角度去看,宇宙線就像人類文明發展的領航員和燈塔,圍繞它進行研究,能給科學界帶來新的前進的角度。

除此之外,從相對實用性的角度看,宇宙線造成的溫度效應,也是地球溫室效應產生的原因之一,透過對其深入了解,也能探知地球上溫室效應發展的情況。

再者,人類如果直接暴露在高強度的宇宙線面前會被殺死,而太空探索活動中,太空人又要更多的進入地球之外活動。

透過對宇宙線的深入研究,也能在航天器的防護設計上,為太空人和各類科學器材,提供更多的安全保障。

所以說,看似虛無縹緲的學科活動,透過深入研究發展,對人類其他領域的發展也會有幫助。

結語

當然,目前研究超高能的宇宙線,可以幫助科學家更多的去了解宇宙的起源。

隨著稻城縣的觀測站點建成並投入使用,國內外已經有32個天體物理研究機構,成為該觀測站點的合作組成員單位。

未來,來自宇宙深處更大聲的「吶喊」,該站點都可能監測到了。

參考資料:

【重大發現!中國宇宙觀測站收到天鵝座萬年前來「信」】 深圳新聞網 2021年5月18日
【神秘的「宇宙信使」!宇宙線究竟是什麽?】 人民網 2021年11月30日
【解開宇宙線起源之謎更進一步!】 光明網 2021年4月2日
【探索起源之謎 高海拔宇宙線觀測站「拉索」透過國家驗收】 新華網 2023年5月11日