天体物理学

宇宙射线d'énergie extrême

宇宙中的一些粒子携带的能量与步枪子弹一样多。他们来自哪里?这个难题促使人们建造了有史以来最大的探测器。

穆拉特·波拉塔夫(Murat Boratav)和TiinaSuomijärvi 科学档案编号62
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2001年5月23日晚上,大约凌晨两点,巴塔哥尼亚北部的潘帕阿马里利亚(Pampa Amarilla)上空晴朗无云。突然,发光的痕迹划过了天空。肉眼看不见它,但是研究人员放置在该地点的探测器检测到了它的通过。组成该荧光望远镜的440支光电倍增管中,有14支被高能粒子从宇宙中通过而被激活。该仪器安装在Malargüe镇附近的小山上,探测到了它的第一条宇宙射线。几周后,即8月19日的2小时33分,数十亿个粒子的喷雾同时喷出了五个水箱,分别命名为休伦,厄休拉,苏珊娜,卡门和米兰达,每个水箱载有12吨水。该事件一经注册,便立即分发给世界各地的数据中心。第二天,他们的老师以及来自17个国家/地区的300名物理学家和工程师警告了城市学校的孩子们-他们给坦克取了名字。这项活动标志着1991年开始的一项科学项目的十年筹备工作的结束。这也是一个巨型天文台的第一步,该天文台的建造刚刚完成,并于2000年落成。 2008年11月。夏季和冬季,白天和黑夜,数百名研究人员面临着有时充满敌意的性质和许多技术难题,无法使这种探测器正常运行,它将观测天空长达20年。

Pierre Auger天文台以纪念法国研究宇宙粒子的先驱者之一的名字命名,如今占地超过3,000平方公里,是有史以来最大的探测器(请参阅第52页的方框) 。自2000年2月安装第一个储罐以来,已在潘帕阿马里利亚高原的高原上部署了1600个相同的探测器。现场上方的天空由数个荧光望远镜监视,它们的总数为13,000像素,每个望远镜观察到的天空的方形部分大约向侧面倾斜1.5度。如果一切都按照科学界的意愿进行,那么几年之内应该在北半球,美国科罗拉多州,甚至更大的地区建造一个相同的设施。有了这两个设施,皮埃尔·俄格天文台将覆盖20,000多平方公里(是法兰西岛地区的两倍),并将监视整个天空。

现代天体物理学之谜

为什么科学界参与了这个项目?为了解决现代天体物理学的最大谜团之一,即能量接近符号阈值10的宇宙粒子的起源20 电子伏特,相当于步枪子弹的动能。为了解释这些粒子的起源,天体物理学家,宇宙学家或基本相互作用的理论家已经开发出数十种不同的模型,但没有一个完全令人满意。当我们对这个问题有了答案时,也许就会出现新的物理学。至于探测器的尺寸,它是由三个简单的规则得出的:达到这些极限能量的宇宙射线非常罕见(每平方公里和每世纪的地面发生几次事件),因此,如果想要有足够的事件来测试不同的模型,有必要建造一个覆盖数千平方千米的探测器。做出基本发现的前景使科学家决定遵循这条道路。

现代天体物理学面临一些大问题。特别是,我们只能直接感知到宇宙的百分之四。其余的(几乎全部!)分为暗物质和暗能量(“暗”表示“不可观察”),通过间接作用向我们显现,但逃避了我们所有的观察手段(请参阅《新书》)宇宙学,Patrick Peter,第70页)。超高能宇宙射线的谜团在某种程度上代表了相反的问题:我们检测到的物体,其存在是通过观察直接建立的,但是我们不了解其起源。的确,这些宇宙射线为微观粒子携带巨大的能量。观察到的第一个粒子的能量超过1020 于1992年在美国犹他州启用了第一台荧光望远镜,发射了电子伏特。这种现象是如此异常,以至于“后卫”小组得出结论,认为他们的设备有故障。经过了一位年轻物理学家的辛勤工作,经过多次验证(和三年的等待),该事件被认为是由于宇宙粒子携带的能量等于3.2×1020 电子伏特由单个粒子传输的能量比由世界上最强大的对撞机lhc加速的质子的能量大1亿倍,lhc于2008年9月在日内瓦开始运行。足以说这样的能量不会从来没有用过人造加速器这些颗粒是如何产生的?让我们介绍宇宙射线和一些关于它们中最有活力的假设。

作为实验科学,天体物理学具有特殊的地位。与其他研究人员不同,天体物理学家无法在实验室中复制他想研究的现象:他必须等到它想要表现出来。在最好的情况下,我们可以在地面仪器中获得由该现象触发的副作用,我们必须从这些副作用中获取信息,以便从观测地点了解光年所涉及的机制的性质。因此,天体物理学不仅取决于信使的性质,还取决于用于检测天体发送的消息的仪器。

宇宙射线的性质

这些信使可以根据其性质分为两类。首先,电磁波是可见光的一部分,是天文学家的主要信息来源。人眼首先是光学天文学,然后是日趋完善的望远镜。某些天体在电磁波谱的其他区域也可以检测到,例如无线电波或红外辐射。

信使的另一个系列由称为宇宙射线的孤立粒子组成。由于这些粒子已行进了很长的距离,使它们的来源与地球分开,因此它们必须在很长一段时间内保持稳定,这限制了它们的种类。在地球上探测到的宇宙射线主要由原子核(碳,氮,氧等)组成,尤其是其中最轻的是质子,它是氢原子的核。其他稳定的粒子可以通过特定的探测器观察到:中微子和“伽马射线”就是这种情况(请参阅第58页的中微子望远镜,以及B的高能伽玛天文学)。 Degrange和H.Sol,第60页)。伽马射线的能量非常强,以至于它们自己与我们的探测器相互作用,这与低能量的光子会大量作用并表现为电磁波不同。最后,为了解释极端能量的宇宙射线之谜,一些作者不得不将奇异粒子引入其模型,目前尚无任何实验观察证实该粒子的存在。

最早关于宇宙射线的存在和起源的深入研究始于20世纪初e 世纪。那时,为了测量电荷,我们使用了称为静电计的设备,该设备由金属刀片组成,当金属刀片覆盖有电荷时,它们会相互排斥(我们从这种偏差中推导出了测量时所携带的电荷)。但是,我们注意到,与任何电路隔离的带电静电计会自发放电。这似乎表明,周围的空气中充满了神秘的带电粒子流,这些粒子通过撞击设备最终消除了电荷。 1912年,维克托·赫斯(Victor Hess)带着他的仪器登上了一个充满氢气的气球-爆炸性极强-在没有呼吸辅助装置的情况下可以升至5,000米!在那里,一位无畏的物理学家观察到,辐射强度在2000米以上明显增加。这项基本实验随后一年后进行了WernerKolhörster的实验(气球的高度达到了9,300米!),证实了电离辐射无论其性质如何,都确实来自外太空,并非一开始就假设来自地球。

经过几十年的努力和数十位先驱的辛勤工作,可以确定宇宙射线最常带电粒子。最终,在1930年代末,皮埃尔·奥格(Pierre Auger)通过一系列决定性的实验表明,最活跃的宇宙射线通过撞击地球大气层的原子,在那引发了一系列连锁反应。在地面上,这种反应有时会导致大量次级粒子几乎同时到达,从而形成所谓的大气淋浴。通过一些简单的假设,我们从这些粒子簇射的传播中推断出了最初的冲击所带来的能量,这种冲击从大气层顶部到地面产生了长时间的堆积并构成了簇射。皮埃尔·奥格(Pierre Auger)拥有相隔几百米的盖革(Geiger)计数器(指示带电粒子通过的放射性检测器),并确定了某些大气淋浴的扩散。他推断它们的主要宇宙射线携带的能量约为1015 电子伏特当时,这种能量似乎难以想象。

宇宙射线的起源

从那时起,我们了解到宇宙射线在宇宙以及我们周围的环境中无处不在。在一个晚上的睡眠中,您的身体会被超过三百万条宇宙射线所穿过……除非您正在埋葬在几百米深的岩石中的地雷中睡觉。这些接近地面的颗粒通常是渗透性最强的空气淋浴的副产品。就其本身而言,对这些次级粒子的研究并不十分感兴趣:我们可以使用加速剂来大量生产这些粒子(电子,光子,μ子,质子等)。引起天体物理学家兴趣的是产生主要宇宙射线的机制。为此,他们试图从淋浴的碎片中重建触发淋浴的粒子的属性,也就是说,测量其能量,确定其起源方向,最后,试图识别它(它是伽马光子,质子,重核吗?)。当我们拥有大量这些数据时,我们可以建立宇宙辐射的光谱,也就是说,所接收粒子的数量和性质随其能量的变化而变化。该光谱是产生这些粒子的天体物理机制的特征。

我们知道宇宙射线的几种天文学来源,其能量低于电子伏安范围(记为EeV,1电子伏特= 1018 电子伏特)。例如,太阳是低能量宇宙射线的来源,它是由核聚变的机制,其能量的来源或在其表面发生的等离子体的爆发和湍流产生的。在我们的银河内部,其他现象可以将带电粒子加速到petaelectronvolt的能量级(PeV = 10 15 电子伏特):超新星(大质量恒星的爆炸)或脉冲星(紧凑的物体,也称为中子星)就是这种情况,真正的加速器具有快速旋转的强磁场。在极端情况下,一些非常年轻的中子星,其附近的电势可以达到几亿伏特,它们将能够将粒子加速到纳伏级的能量。

超过50 EeV,一个奇迹。首先,我们所知道的最剧烈的天体物理学现象似乎无法将粒子加速到这种能量。此外,在1966年,三位物理学家,美国的肯尼思·格赖森(Kenneth Greisen)和俄罗斯的格奥尔基·扎塞平(Georgi Zatsepin)和瓦迪姆·库兹明(Vadim Kuzmin),表明,对于任何高能粒子来说,大型宇宙肯定是不透明的。实际上,实际上是空的行星际空间或星际空间实际上沐浴在光子云中。这些光子构成了宇宙发出的化石辐射,当时宇宙大爆炸发生了30万年,充满它的离子化气体变得透明。今天,这种辐射是一种光子气体,由于普遍膨胀,其温度已降至约3开尔文,其密度约为每立方厘米400个光子。这种稀薄的低能量光子气体对普通粒子是透明的。另一方面,当粒子以大于50 EeV的能量运动时,它将与宇宙辐射的光子相互作用。这种现象称为gzk效应(在其发现者的名字缩写之后)。据估计,以超过100 EeV的能量到达的宇宙射线,无论其初始能量如何,都不可能传播超过1.5亿光年的距离。

如果这样的距离对我们来说似乎是巨大的,那么实际上在宇宙学尺度上是相当适度的:它们大致相当于离我们最近的星系团的大小,我们称其为局部超团簇。极高能量的宇宙射线的存在意味着在我们的银河系附近,本地超团内部存在异常强烈的辐射源。但是,在最近几年之前,几乎没有收集到任何数据,当我们从这些粒子到达我们的方向观察天空时,我们没有特别注意任何东西。这些可能带电的宇宙射线是否受到银河外和银河磁场的偏转?他们的最终方向是否与来源不同?这不太可能,因为在这种能量下,磁场的作用很弱,大多数宇宙射线的起源方向应在几度之内与它们的起点相对应。仅重负荷高的重铁芯会明显偏转。

让我们不要由此推断,在40年来,天体物理学家和理论家社区一直陷于这个问题的瘫痪。面对极限能量的宇宙射线所代表的挑战,理论家已经开发出了大量模型……这证明所有这些解释都不是令人满意的。我们可以将这些理论模型分为两个大家族,我们将对其进行简要描述。

研究的第一线在于将经典的加速机制改编为新数据,该机制解释了低能宇宙射线的起源。在所有已知情况下,带电粒子的加速都涉及电磁场。静磁场不能增加带电粒子的动能,只能偏转其路径。

宇宙加速器

但是,我们知道可变磁场会产生电场,并且电场会在带电粒子上施加使它们加速的力。但是,许多天体物理学现象使等离子体气体发挥作用,也就是说,运动离子云正好具有伴随着湍流磁场的特性。这些等离子云及其湍流场像网球上的球拍一样作用于粒子:当球和球拍朝相反的方向运动时,击球后球以更快的速度返回。

同样,与爆炸现象(例如超新星)相关的膨胀火球撞击并加速其在星际空间路径中发现的粒子。调用这种加速机制(称为费米机制)来解释大多数“普通”宇宙射线。不幸的是,即使不是根本不存在,能够将粒子加速为我们所关注的能量的爆炸也极为罕见。

被称为足够猛烈地以极端能量加速粒子的机制之一就是被称为“具有活跃核”的星系(根据英文首字母缩写为“活跃银河核”的意思)。一些星系的心脏是一个巨大的加速器的所在地:一个超大质量的黑洞,可以达到十亿个太阳质量。这样的怪物以每年数个太阳质量的速度吸收大量的气体和物质簇(请参见第48页的图)。落入银河中心的物质在非常热的等离子盘中围绕其旋转,并受到强磁场的影响。在围绕黑洞的轨道中的等离子体旋转的驱动下,某些磁场线围绕垂直于银河系吸积盘的轴线缠绕,形成一种电磁阿基米德螺线,该螺线将带电粒子排出速度接近光速。目前,agn似乎是理论家最喜欢解释超高能宇宙射线起源的模型之一。

有时会调用另一个极端暴力的天体物理现象,但仍知之甚少(尽管也已经观察了四十年):它是“伽马射线爆发”。 1960年代初,美国军事卫星偶然发现了伽马射线爆发,在过去40年中,每天两次或三次,天文学家在天空中的某处观测到了短暂的伽马射线爆发。这些爆炸的来源在天穹上均匀分布,这似乎表明它们在整个宇宙中均匀分布。在这种情况下,大多数观测到的爆发必定是由距离很远(大约十亿或一百亿光年)的事件造成的。推论到,要想被发现,它们一定发挥了相当大的作用。

根据某些模型,一次爆发会在几千分之一秒内发射出与通过将整个太阳质量转换成辐射所获得的能量相等的能量。时至今日,这些大灾难的起源仍然未知。已经考虑了各种模型,例如黑洞和中子星的突然融合或“ collapsars”模型,该模型包括大质量恒星心脏的坍塌和极强的爆炸。外层(超新星)。无论如何,引起伽马射线爆发的现象是宇宙中最猛烈的天体物理机制之一。它们还是宇宙极端能量射线的源头吗?为了解决这个问题,有必要在爆发和宇宙射线上积累大量数据。例如,有必要验证宇宙射线的起源方向是否像伽马射线爆发那样均匀地覆盖整个天空。关于这一点,正如我们稍后将看到的,皮埃尔·俄格天文台提供了初步的线索,必须通过更一致的统计数据加以证实。但是,即使是这种情况,仍有可能要解释的是,可能被伽马射线爆发加速的粒子如何在不被gzk效应阻止的情况下从一十亿光年行进。

最后,理论家们提出了一系列基于可能是常识性反思的模型:如果我们很难用某种机制解释某些宇宙射线所携带的巨大能量,适当的加速,可能是它们没有加速。确实,有一个众所周知的现象,该现象自发地释放了高能粒子,而无需通过促进剂:这是块状且不稳定的粒子的分解。质量不可移动的粒子(例如铀235原子核)包含的能量称为质量等于mc2 (其中c是光速)。当它衰变时,它会产生次级粒子,这些次级粒子以质量能以及动能的形式携带这种能量。因此,宇宙射线的能量约为1020 电子伏特可能来自其质量会增大几个数量级(例如等于10)的粒子的衰减24 电子伏特但是,一些理论预测存在称为x粒子的粒子,这些粒子具有该数量的质量。

异国模式

以“自上而下”的名称组合在一起的这组场景引起了粒子物理学家的极大兴趣。的确,在这个能源领域,他们相信四种基本相互作用(电磁,弱核和强核相互作用)中的三种会融合为一个相同的超力。这种“大统一”是要统治宇宙约10–35 大爆炸之后的第二秒,当时还是很热。如果非常高能量的宇宙射线是在第一秒的几分之一秒内锻造的非常大的粒子的副产品,则有可能研究这种奇异的物理学领域而无需等待(技术上不可能)实现加速器的功率足以达到所需的能量。但是,仍然有待解释为什么这些神秘的粒子在此刻腐烂之前存活了130亿年,从而使我们能够发现碎片。已有这样的解释,但就目前而言,它们应被视为即席争论,而不是既定事实。

已经观测到近40年的极能量宇宙射线,但数量很少:在美国,英国,俄罗斯和日本的五个探测器探测到了大约30个此类事件,在Pierre Auger天文台投入运营之前。此数字足以排除实验错误的可能性。并不是要回答有关这些射线的性质和来源的根本问题。

在gzk效应所涉及的能量附近,开始出现困难的问题,宇宙射线以每平方公里和每世纪几个单位的速度到达地球。一个简单的三分法则可以得出这样的结论:如果我们想在合理的时间内回答这些问题,每年要收集几十个事件,则有必要建造一个覆盖数千平方公里的探测器。 。乐观还是无意识,1991年仍然是两位物理学家迈出的一步:芝加哥大学的詹姆斯·克罗宁(James Cronin),诺贝尔物理学奖获得者,粒子物理学家转而研究宇宙射线和利兹大学的艾伦·沃森(Alan Watson),这是一位天体粒子专家,他在英国的哈弗拉公园天文台(Pierre Auger天文台的前身)建造和运营了近20年。在1992年,大约有100位物理学家围绕这个项目而团结起来。三年后,由此形成的社区聚集在美国费米实验室,为后来的皮埃尔·奥格天文台奠定了基础(请参见第52页的方框)。

皮埃尔·奥格天文台

除非常大的表面积外,该探测器的主要特征还在于其混合特性:它使用了宇宙射线领域的两种互补技术,即水箱技术和被称为“蝇眼”的荧光望远镜。切伦科夫说,通过以比水中的光速大的速度穿过水箱,大气淋浴的次级粒子在其中产生辐射,这在电磁波领域中类似于由水产生的声波。超音速飞机。辐射通过放置在水箱中的光电倍增管检测到。另一种方法依赖于几百个光敏传感器的矩阵,这要归功于一套望远镜镜,它们每个都监视一小部分天空。这些传感器检测淋浴间的次级粒子在穿过大气时所产生的荧光,特征性和极弱的紫外线辐射(相当于数十瓦灯发出的能量),可以检测到高达'30或40公里。

这些方法中的每一种都有间接的缺点。因此,通过喷淋到达的地面表面指示了主要宇宙射线带来的初始能量,但要对连锁反应的性质做出某些假设,这些连锁反应是从大气层顶部到地面相互跟随的。至于淋浴器在地面上投射的椭圆形,其偏心率大约表示淋浴器的轴线的倾斜度,并因此表示主宇宙射线的起源方向。就其本身而言,荧光检测器提供了淋浴器纵向演变的薄膜(这表明初级粒子的性质,因为例如光子淋浴器比空气更深入地渗透到大气中'由于质子而导致的淋浴)。它们还提供了喷雾总能量的量度。地面探测器(探测器)和荧光探测器的组合使用显着减少了测量误差,并以前所未有的精度提供了对主要宇宙射线特征的访问。

阿根廷建造的天文台已经证明了混合动力技术能够按预期工作,并且预期的事件在那里可以帮助我们回答上述基本问题。最后,当第二个装置在科罗拉多州建造时,我们将拥有一个能够研究天穹两半球的探测器,同时大大提高我们的统计能力(检测到的事件总数),这对于找到产生这些极端能量粒子的源并测试加速度模型。因此,我们很有可能处于本世纪重大发现之一的门槛上。

皮埃尔·奥格天文台(Pierre Auger Observatory)如果刚刚完成,则已经收集了大约五年的物理有用数据。因此,它已在显示gzk效应的区域(即大约50 EeV)附近收集了事件的最大的世界统计数据。一些初步的答案已经出现,我们将对其进行简要总结。应当指出的是,仍然没有太多的观察结果可以得出明确的结论,下面给出的结果必须通过更一致的统计数据来确认。

第一个重要结果:极高能量(超过50 EeV)的宇宙射线的到达方向是各向异性的,也就是说,它们并非以统一的方式从天空的所有点到达。然后,我们可以将它们的起源方向与其他方法已知的天体物体进行比较,从而检验其起源的假设。但是,我们没有观察到这些方向与“银河平面”之间的任何相关性,“银河平面”是构成银河系中大多数天体的天空区域(银河系):因此,非常高能量的宇宙射线将来自银河系。 。

星系外起源

另外两个观察结果进一步证明了这一推论。首先,当能量增加且超过特定阈值时,gzk效应加剧了入射射线数量的减少:因此,许多射线被宇宙射线阻止,这表明他们来自我们银河系以外的地方。其次,似乎在高能宇宙射线指向的方向与“具有活跃核的星系”或agn之间存在相关性。黑洞吞噬周围物质的机制在某些情况下会导致产生巨大的物质射流和电磁场,其相对论性的冲击波可能会导致我们数以百万计检测到的粒子的加速几年后在地球上。但是,人们对这些星系的中央“引擎”的功能了解甚少,理论家们仍未能就能够解释所达到的巨大能量的精确模型达成共识。

让我们引用最后一个主要结果。我们在上面提到了一系列模型,根据这些模型,宇宙射线的极端能量不是由天体物理物体的加速产生的,而是由超大质量粒子(大爆炸的遗物)的衰减产生的。但是,这将对检测到的宇宙射线的“化学成分”产生影响,其中应包含相当比例的伽马射线和中微子。我们的第一个结果与这些模型相矛盾:最活跃的射线实际上似乎基本上由质子和重核组成。

地球与太空之间的未来

天体粒子的物理学发展迅速,似乎很难做出长期预测。另一方面,在不久的将来,一些项目已经成形。首先,我们必须通过在科罗拉多州为北半球建造场地来完善Pierre Auger天文台,这将使整个天空都被覆盖,并大大提高实验统计能力。此步骤可能是基于地面网络的检测技术的实际限制,不能无限扩展。自然的结果将是车载卫星探测器。目前有一个由美国和日本支持的项目,建议在国际轨道站iss上的日本实验舱(jem)上安装euso探测器(极端宇宙空间天文台)。 jem-euso项目)。该探测器位于地球上方400公里的轨道上,将配备成千上万个光敏电池。它的工作原理应与荧光望远镜相同,但要像我们现在那样从上方而不是从下方观察阵雨。然后,我们可以监视巨大的大气量。但是,jem-euso距离克服其面临的所有技术挑战还有很长的路要走。

宇宙射线的研究始于地面,被气球追赶,从大气相互作用中释放出来,由于巨无霸,宇宙射线的研究已返回地面,然后再次安放在距地球数百公里的卫星上高度。在一百年来,对这一学科的兴趣从未动摇。看来我们现在正处在一个新时代的门槛上:通过让我们获得原本无法获得的能量,宇宙射线天文学正成为重大发现的来源。可以肯定的是:无论未来的观察将得出什么结论,它们都会在天体物理学,宇宙学以及基本相互作用领域开辟迄今为止尚未探索的视野。

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