作者：吳京平

——————————

最近，我國科學家在《自然》等雜志上發(fā)表了一項非常重大的成果。有多重要呢？據(jù)說外國同行看到這個成果感嘆了一句：“看到這個，我可以死了……”，反正大概就是這么個意思吧。略顯夸張，但是份量十足。

這個重大的成果就是網(wǎng)上最近在流傳的“拍電子伏特加速器”。有網(wǎng)友對此很感興趣給我留言，但是我當時有點懵圈。這個“拍”到底啥意思？是不是寫錯字了？看來，要搞懂這件事兒的來龍去脈，要穿插很多的名詞解釋。

首先這件事兒的源頭來自于國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），簡稱叫“拉手”。這個探測器項目位于四川稻城的海子山上，這家伙是一個不折不扣的“隱形冠軍”，完全是在我們大眾的視野之外，悄悄地拿下了一個世界第一。LHAASO是世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線探測器，探測器的有效面積達到了一平方公里，配備了1188個μ子探測器。這剛建造了一半，運行了11個月，就發(fā)現(xiàn)了一個重大科學成果。

LHAASO探測器在銀河系之中發(fā)現(xiàn)了多個超高能宇宙線加速器，并且記錄到最高1.4拍電子伏特的伽馬光子。這話到底啥意思呢？先做名詞解釋。

首先，電子伏特是能量單位，研究粒子物理的都喜歡用這個單位。粗略地說，就是用1伏特的電壓從靜止開始來加速一個電子，最后電子獲得的能量就是一個電子伏特，這是個非常小的單位，大概是1.6×10^-19焦耳。

拍（peta）是啥意思呢？就是千萬億的意思，也就是10的15次方。1000叫1K，100萬叫1M，1000M叫1G，1000G叫1T，1000T叫1Peta，也就是1拍。1拍電子伏特相當于1.6/10000焦耳的能量?？瓷先ゲ⒉淮螅悄阋胂氚?，這是一個光子的能量，已經(jīng)夠大的了。

宇宙之中有一些帶電的高能粒子在到處游蕩，這就是宇宙射線。我們的太陽也會發(fā)出太陽風，會噴出帶電粒子，其他恒星也是半斤八兩，叫做“星風”。還有一些其他的物理機制也會產(chǎn)生高能帶電粒子。這些高能帶電粒子混雜在一起，我們也分不出到底是怎么產(chǎn)生的。反正宇宙射線90%都是質(zhì)子，也就是氫元素的原子核。還有9%是氦元素的原子核。1%的電子。這個比例和宇宙之中物質(zhì)組成的份額是匹配的。

但是，這些亂七八糟的射線在宇宙里游蕩，會被各種天體加速，比如黑洞和中子星。這些東西就是天然的加速器，比地球上的加速器要大多了。人類造的玩意兒和宇宙天體相比，真是不值一提，人家拔根毛都比我們的腰粗。人類建造的最大的大型強子對撞機僅僅能達到0.01拍的量級。宇宙射線的能量都不低。

但是宇宙天體都是帶著磁場的，我們地球不也有磁場嘛。結(jié)果這些高能帶電粒子遇到磁場就拐彎，天知道它們路過了幾個星球，拐了幾個彎兒呢？說不定在宇宙里溜達個千萬年也不新鮮，那要拐多少彎兒??？

所以，我們即便能探測到宇宙射線來自何方，也無法判別它的老家在哪兒，從哪里發(fā)出來的。

怎么辦呢？好辦啊。星際空間并不是徹底空空蕩蕩什么都沒有，多多少少還有一點氣體分子。大概也就1立方厘米包含一個氫原子這個量級。宇宙射線大部分都是質(zhì)子，氫原子核也是質(zhì)子，基本上就相當于高能的質(zhì)子對撞，跟大型強子對撞機其實差不多。會撞出很多的π介子和K介子，然后衰變成μ子，μ子最后會變成高能的光子，能量越高，光子的頻率也越高，都在伽馬射線的波段內(nèi)。這樣就被我們超高靈敏度的LHAASO給探測到了。

這么說吧，大概有一部分宇宙射線剛出門沒多遠就撞車了，和星際物質(zhì)粒子發(fā)生了碰撞，然后經(jīng)過一系列的復雜物理過程產(chǎn)生了高能的伽馬光子。這些光子可不怎么拐彎兒，正好被我們的探測器捕捉到，光子的來向是很容易判別的，也就相當于發(fā)現(xiàn)了輻射源的方向。

一般的物理過程產(chǎn)生1peta量級的粒子是很難的，就好比我們?nèi)ビ^察周圍人的身高，你會發(fā)現(xiàn)特別高的是極少數(shù)，特別矮的成年人也是極少數(shù)。前邊來了一哨人馬，各個身高兩米開外，難道是籃球隊出來集體逛街？那估計肯定是事出有因。

這個道理大家都懂啊。我們的LHAASO探測器偏偏就發(fā)現(xiàn)1peta能級附近的伽馬光子多得不正常，明顯是事出反常必有妖。這些能夠把宇宙射線加速到極高能量的天體，就是所謂的“拍電子伏加速器”。

LHAASO現(xiàn)在積累了11個月的觀察數(shù)據(jù)，在銀河系里發(fā)現(xiàn)了12個強輻射源，也就是12個大號的天然粒子加速器。有一些輻射源是新面孔，過去沒見過。但是有些老面孔也讓大家吃了一驚，比如說天鵝座恒星形成區(qū)，比如說蟹狀星云。這里頭怎么蟹狀星云也來摻和一腳？真是沒想到。

如果說僅僅是發(fā)現(xiàn)了一些1peta量級的伽馬光子。這好像也沒有什么新鮮的，為什么這樣一個成果會成為重大的成就呢？因為這個發(fā)現(xiàn)打開了一個新的領域，一個新的維度。

我們?nèi)祟愔荒芸垦劬θビ^察這個世界，但是我們的眼睛只能看到這個宇宙里很小的一部分可見光。不管是在電磁波頻譜上擴展一個波段，還是發(fā)現(xiàn)一種新的探測手段，都能讓我們大開眼界。我們用X射線看到了人體的骨骼，用B超看到了肚子里的寶寶，用無線電看到了星系中心的黑洞吸積盤，用引力波聽到了中子星的合并。每一種探測手段，其實都是打開了一個全新的領域，重要性當然是不言而喻的。

最近天文學界對快速射電暴特別關(guān)注，就是因為這是一種我們了解不多的現(xiàn)象。同樣，對于拍電子加速器也是一樣的。

蟹狀星云是一顆新鮮出爐的超新星遺跡。公元1054年，北宋的司天監(jiān)發(fā)現(xiàn)了一顆天關(guān)客星。這就是人類明確記錄到的一次超新星爆炸。后來，天文學家們在這個位置找到一個蟹狀星云，這個星云就是當年那顆超新星爆炸造成的，到現(xiàn)在還在繼續(xù)膨脹。星云里有一顆活躍的脈沖星，就是當年那次超新星爆炸后剩余的產(chǎn)物。

這是一顆鮮活的超新星，脈沖星就是高速旋轉(zhuǎn)的中子星，轉(zhuǎn)得飛快，磁場極強，粒子被加速到了相對論性速度，起碼是光速的幾分之一吧，這就是所謂的“脈沖星風”。這家伙也會發(fā)射出強大的X射線和伽馬射線。天文學家們幾乎把它研究了個透，大家對它太熟悉了。

所以蟹狀星云的這顆脈沖星幾乎成了唯一搞清了輻射機制的標準伽馬射線源。但是，當我們的視野擴展到了拍電子伏特這個量級。我們突然發(fā)現(xiàn)，似乎我們是小看了蟹狀星云中間這個脈沖星，這個家伙居然是一個peta量級的電子加速器?？磥碛泻芏嗍聝?，我們未必真的搞明白了。

天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天最亮的一個區(qū)域。這里聚集著很多大質(zhì)量恒星。加起來怎么也有好幾萬倍太陽質(zhì)量。越是大的恒星，吹出來的星風越強，速度達到了每秒幾千公里。

你想吧，本來大家距離就夠近，大家還在互噴，噴的還挺起勁的。氣流猛烈撞擊，比地球上的大型強子對撞機厲害多了。所以，這個區(qū)域有著極其復雜的強激波，強湍流。

大質(zhì)量天體的壽命普遍都很短，到最后一般都是以超新星爆炸的方式了卻殘生。本來大家互相噴的就夠厲害的，這還來個玩兒自爆的，爆炸的沖擊波更加猛烈，所以，這個地方就成了粒子加速的絕佳場所，成了一個peta量級的質(zhì)子加速器。

所以，LHAASO在這個區(qū)域發(fā)現(xiàn)了1.4拍電子伏特的最高能量光子，這說明，用“拍電子伏特粒子加速器”這個詞可能都不足以形容這個天然粒子加速器的強大。

盡管如此，星際空間的物質(zhì)實在是太稀薄了，即便是非常明亮的蟹狀星云，每立方厘米也只有1300個粒子，還不如月球表面的氣體濃度呢。所以，粒子對撞也是小概率事件，大概是在一平方公里的范圍內(nèi)，探測到的超高能的伽馬光子也不過是1天1個的水平。這些高能光子進入地球大氣還會發(fā)生“簇射”，一個高能光子和空氣撞擊，迸發(fā)出一大堆亂七八糟的粒子，這些粒子還會在產(chǎn)生更多亂七八糟的粒子，探測的難度又大大增加了。

所以，我們的LHAASO是建在海拔4410米的稻城海子山上，盡量克服大氣吸收的問題。用1平方公里的巨大探測面積來應對粒子稀少的問題。用多種探測手段解決高能伽馬光子混在在亂七八糟的粒子之中，不容易辨認的難題。這也是一個國際合作項目，很多國家都出了力，整體技術(shù)水平非常高。

現(xiàn)在取得的這些成就，還都是在LHAASO還沒全部完成的情況下做出的，將來完全建成以后，不知道還會帶給我們什么新的發(fā)現(xiàn)。

現(xiàn)在我們的國力強了，既有財力，也有技術(shù)實力，也應該在基礎科學研究的大科學工程上花點錢了。我常說，只有偉大的國家才愿意投入大筆的資金，用在暫時看不到什么短期效益的基礎科學研究項目上。我們當然是偉大的國家。

我相信，我們的腦袋瓜子都是很聰明的，只要愿意花了足夠的錢和足夠的精力，肯定是會對全人類的科學進步做出重要貢獻的，讓我們拭目以待吧。