最强宇宙伽玛射线造访地球在中国西藏，海拔4300米的羊八井镇，坐落着一个国际宇宙线观测站。从地面看，这个观测站就像排列整齐的“高原哨兵”，它们在这里日夜坚守，默默等候着造访地球的宇宙线。而就在几个月前，这个“高原阵队”捕获了迄今为止人类已知最高能量的宇宙伽玛射线辐射。最强宇宙伽玛射线来自何方？它们造访地球究竟想告诉我们什么？

什么是宇宙线

宇宙线，亦称宇宙射线，是来自太空的高能粒子，它们从太空射向地球的过程中，与大气中的原子核发生相互作用，撞出各种次级粒子。这些次级粒子在飞行过程中，会再次与大气中的原子核发生作用，产生更次级的粒子。

如此“一生二，二生三”地不断发生级联反应，仿佛一颗大雨滴往下飞行的过程中散落成千千万万颗小雨滴。这个过程被称为“空气簇射”。

科学家们通过探测这些到达地球表面的“簇射”，来间接研究宇宙线。

这些“簇射”到达地表时的面积往往很大，甚至有上万平方米。可是，目前人类还造不出这么大面积的单个探测器。怎么办呢？

在实际实验中，人们使用的是探测器阵列，就是把几十上百个小探测器按照一定几何分布排列在地面上，形成一个个阵列。

可以想象，这样的大型阵列往往需要建在平地上。同时，如果大气层的厚度太大，宇宙线的“簇射”反而会被空气吸收，导致我们能探测到的粒子变少。因此，国际上许多实验的探测器阵列被安排在高原上或大山之中，例如我国羊八井宇宙线观测站就建在西藏，正是有效地利用了当地高海拔大气稀薄的优势。

高能射线来自何方

科学家们通过分析确认，这些宇宙伽玛射线辐射来自大名鼎鼎的蟹状星云。蟹状星云是位于金牛座的著名超新星遗迹，它距离地球约6500光年。1054年，北宋天文学家就留下了这颗“天关客星”发生超新星爆发的详细记录，当时这颗星星在近一个月的时间里亮到白天也能看见。一千年后的今年，当代中国的科学家在那颗星星爆发的遗迹中发现了最高能量的宇宙伽玛射线。

为何天文学家对蟹状星云非常偏爱？因为它在全电磁波段的亮度均较高。人们在射电波段、光学波段、X射线波段一直到伽玛射线的整个电磁波段，对其进行了详细的观测研究。西藏羊八井ASgamma实验也将目标对准了蟹状星云。

此前，国际上探测到的最高能量的伽玛射线为75TeV，此次中日合作ASgamma实验团队发现了24个100TeV以上的伽玛射线事例，其中能量最高的约450TeV。

“高原哨兵”为何如此敏锐

西藏羊八井宇宙线观测站位于海拔4300米的高原，是全球海拔最高的宇宙线观测站之一，1989年开始由中日科学家合作建设，后经多次升级改造，三十年来在宇宙线探测研究方面获得了一系列重大发现。

超高能量宇宙伽玛射线实验的难点在于这种宇宙线极为稀有，来自太空的宇宙线通常以带电粒子为主，而不带电的伽玛射线在宇宙线中的占比不到1%。伽玛射线的微小信号被淹没在整个宇宙线的背景当中，科学家需要想办法去除宇宙线中的本底，挑选出伽玛射线的信号。

2014年，中日科学家在探测阵列下2.5米的地方，安装了许多地下探测器。为什么是地下2.5米？这一土层厚度用来过滤掉空气簇射产生的低能电子和光子本底，这样更便于让探测器探测到伽玛射线。这次升级让羊八井ASgamma实验成为100TeV以上能区最灵敏的宇宙伽玛射线探测器。

这次发现有何意义

人类的这次发现意义重大。首先，验证了科学家们此前对蟹状星云超高能电子能量的理论推测。探测结果意味着蟹状星云存在能量至少为450TeV的超高能电子，十分接近理论推测的1000TeV能量。

其次，为脉冲星的粒子加速能力提供了实验证据。蟹状星云就像是“银河系内天然的高能粒子加速器”，这次发现表明，它与目前世界上最大的人工电子加速器相比，电子加速能力至少高了上万倍。

此前很多人不相信脉冲星能把粒子加速到100TeV，这次的成果则带来了令人信服的实验证据。但是也提出了新问题——为什么脉冲星可以把粒子加速到如此高的能量？科学家推测，这可能与脉冲星风的磁重联过程有关。这次实验发现对当前的理论工作提出了挑战，理论界需要一定的时间对实验背后的物理机制进行研究。

在浩瀚的宇宙中，地球上的人类十分渺小，但我们从未停止过对宇宙的探索。这是一个非常漫长的过程，也许尽我们所能，发现的也只是宇宙的冰山一角，但每一次进步，都让我们与神秘的宇宙变得更近。宇宙探索，永不止步。

■E学课堂

羊八井宇宙线观测站位于西藏念青唐古拉山脚下，是世界上目前所知的最佳高山站址。扫描二维码，来西藏羊八井，探访ASgamma实验阵列。