編輯：栗子
導語：這是人類可觀測宇宙中最壯闊的現象！即便在通常沉寂而深邃的宇宙尺度看來，伽馬暴依然明亮暴烈，宛如黑暗的宇宙中一閃而過的巨大的手電光束，彷彿要去貫穿整個時空。
最近，科學領域有一個轟動的消息：中日合作實驗團隊利用我國西藏羊八井ASgamma實驗陣列發現迄今為止最高能量的宇宙伽瑪射線，這些宇宙伽瑪射線來自蟹狀星雲方向，能量高達450TeV（萬億電子伏特）, 比此前國際上正式發表的75TeV的最高能量高出5倍以上，標誌著超高能伽瑪射線天文觀測進入到100 TeV以上的觀測能段。
為什麼這個觀測成果引起了全球關注？伽瑪射線是什麼？450萬億電子伏特是什麼概念？西藏羊八井ASgamma實驗陣列是如何進行觀測的，為何能取得如此重大的成果？我們又為什麼研究宇宙伽瑪射線暴？
栗子在電視新聞上看到這則報道時，這些問題就縈繞在腦海裡。想必，除了該領域的專業人士，大多數普通人會和栗子有同樣的疑問。為了解答這些疑問，為了在簡要的新聞報道之外，和大家一起真正理解這一觀測研究成果，栗子採訪了理論物理學博士於赫夫，讓我們一起來看看於博士深入淺出的解讀。
伽瑪（gamma）射線，其實就是波長很短的電磁波（光子）。紅外線、可見光、紫外線、X射線和伽瑪射線本質上都是電磁波，只不過伽瑪射線的波長最短，頻率最高，單光子的能量最高。
最初人們認為，這種“脾氣最暴”的電磁波如果大範圍產生，那隻可能來自核武器。因此美國在上世紀60年代開始，用衛星接收伽瑪射線信號來監視其他國家的核武器試驗。然而該衛星對核試驗的監視並沒有什麼收穫，卻發現了來自宇宙空間的高能伽瑪粒子流，並從這時開始，引出了至今半個多世紀最活躍的宇宙學課題之一：伽瑪暴宇宙學。
伽瑪暴（gamma ray burst），顧名思義是一種伽瑪射線；而“暴”的意思，是指它持續的時間非常短，典型持續時間只有0.1秒至數十秒，能量暴發式釋放。伽瑪暴從發現和公開至今，其來源、產生機制和背後揭示的高能物理規律，引發了持續熱烈的討論。
這種特殊的電磁射線來自很遙遠的星系，其能量高，光子數量少（天體事件輻射出的粒子，其能量多數聚集在某一個值附近，能量比這個值高得越多，相應的粒子就越稀少），由於不帶電荷而不受空間磁場的影響，因而有較好的準直性，可以指示人們其源頭的位置。
這次事件中的伽瑪射線源頭：距離地球6500光年的蟹狀星雲（圖片來自NASA）
換言之，伽瑪暴是宇宙中光速飄蕩的高能電磁波，稀疏地淹沒在海量的星際射線中，誰能捕捉到它，誰就能“看”到其產生源頭——深遠宇宙空間中的信息。
高能伽瑪射線很容易與其他物質發生反應而損失能量，因而科學家們最初認定遙遠星系的高能電磁波很難到達地球，以為探測到的空間伽瑪信號來自銀河系內部。但隨後的觀測和計算表明，伽瑪暴信號源與整個銀河系的運動以及天體分佈沒有關聯。這表明伽瑪暴來自銀河系外，是宇宙尺度的天文現象。再結合其極高的能量，科學家們才逐步認識到自己發現的現象尺度多麼宏大，烈度多麼壯闊。
伽瑪暴的產生機制要從其持續時間說起。不同持續時間的伽瑪暴數目，並不是類似正態分佈的，而是以2s為分水嶺，伽瑪暴的次數在零點幾秒和幾十秒處有兩個峰值。這暗示伽瑪暴有兩鍾產生機制。
主流的研究結果是，時間大於2s的伽瑪暴（平均暴發時間約為30s）一般來自超大質量星體末期的塌縮。超大質量恆星的晚年，可通過吸積星際物質觸發簡併態的核聚變反應；由於簡併態物質不能及時地通過膨脹做功來釋放能量和降溫，因而核聚變反應會異常劇烈，最終將幾乎所有反應能量暴發式釋放，也就是大家常聽說的超新星爆發。有些超新星由於自身和周圍物質的特殊屬性，形成高強噴流，噴流中的伽瑪射線攜帶大量能量，跨越千萬乃至百億光年的浩瀚空間，從宇宙的另一頭來到地球與人類“握手”。
持續時間小於2s的伽瑪暴（平均每次暴發時間約為0.3s），一般認為來自大質量緻密星體碰撞、融合瞬間釋放的大量能量。這些星體可以是雙中子星、雙黑洞，或者中子星和黑洞；例如，現在人們非常關心的一種伽瑪暴來源，是兩個黑洞繞轉合併形成新的更大的黑洞，合併瞬間釋放引力波和伽瑪暴噴流，噴流沿著雙黑洞繞轉的轉軸方向，其能量相比長伽瑪暴一般低兩三個數量級。
西藏羊八井Asgamma實驗陣列發現的450TeV伽瑪信號，是非常前沿的重大發現，該工作會很快在物理學最頂級刊物之一《物理評論快報（Physical Review Letters）》發表。至於此次伽瑪暴的具體發生機制，還需要研究組公佈更詳細的信息以及進一步探究。目前可知的是，本次觀測得到的信號來自蟹狀星雲方向，蟹狀星雲是超新星遺蹟，其內部存在高能的、可以加速光子的電子，因而有觀點認為本次450TeV伽瑪暴可能來自蟹狀星雲高能電子對光子的加速效應。
西藏ASgamma實驗觀測到蟹狀星雲方向100TeV以上的伽瑪射線（圖片來自中科院高能物理研究所官網）
1電子伏特（eV），被定義成一個電子經過1伏特電勢差加速之後得到的動能，是高能物理的常用單位。簡單的單位換算後會發現，這個單位在數值上貌似比焦耳小很多（小大概19個數量級）；但應注意，使用電子伏特是從微觀角度看待問題，一個生活中若干焦耳的發熱過程往往加熱了好幾摩爾的粒子，每個粒子得到的能量用焦耳來表示是非常微小的，用電子伏特做單一粒子的能量單位則正合適。在地球上，正常室溫的大氣的粒子平均能量約為0.026eV，廚房做飯火焰中的粒子平均能量接近1eV，核爆炸中粒子的能量則多為數百至數萬電子伏特。因此我們能體會到，電子伏特其實是個挺“大”的單位，若干電子伏特對應的宏觀反應就已經劇烈到人類難以承受了。
為了理解羊八井Asgamma陣列探測到的百萬億級電子伏特的能量，我們把視野從地球轉向空間：太陽穩定燃燒對應的單粒子能量約為數千電子伏特，而百萬億級電子伏特的暴發現象，則需要太陽燃燒約百億年的能量（注意，這個時間已經接近宇宙年齡的數量級），或整個銀河系數百年輻射能量，在幾十秒內瞬間暴發。
因而可以想見，這是人類可觀測宇宙中最壯闊的現象！即便在通常沉寂而深邃的宇宙尺度看來，伽瑪暴依然明亮暴烈，宛如黑暗的宇宙中一閃而過的巨大的手電光束，彷彿要去貫穿整個時空。
西藏羊八井Asgamma實驗表面陣列（圖片來自中科院高能物理研究所官網）
高能伽瑪暴既是有待揭示科學本質的重要自然現象，又是其他重大宇宙學和基礎物理學問題的研究工具和“實驗平臺”。
科學的基礎是實驗。而有一類問題非常特殊，例如天文學、宇宙學和引力理論的很多問題，實驗所需能量的總量和烈度過大，實驗平臺的尺度過大，實驗器材無法制備，實驗客體無法被直接操作，人們研究這類問題就不能完全靠人力搭建實驗平臺，而需要把宇宙本身作為實驗室使用，把宇宙現象中發射的高能粒子、電磁波和引力波等信號作為研究數據。
伽瑪射線暴具有極高能量，能為人類研究極高能標下的物理提供非常寶貴的工具；且伽瑪射線不帶電荷，不會在空間磁場中偏轉，因而可以很好地指示人們伽瑪暴源頭的位置，便於後續探測伽瑪暴餘輝。
要知道，人類為了進行能量比伽瑪暴小若干數量級的高能粒子實驗，需要耗資數十甚至上百億美元，且每增加一個實驗能標的數量級，都要克服巨大困難，耗費更大的財力、人力和統籌時間。所以載有寶貴的宇宙深處高能信息的伽瑪暴的信號，簡直測到就是賺到。
西藏羊八井ASgamma實驗陣列的探測器單元（圖片來自新華社/普布扎西攝）
高能伽瑪射線會與大氣發生相互作用，反應產生的次級高能粒子會繼續與大氣反應，多級反應最終產生的粒子，以傘狀層層向下，覆蓋寬度可達數公里，這就是高能粒子轟擊大氣產生的簇射現象。
宇宙射線進入大氣後產生空氣簇射的示意圖（圖片來自中科院高能物理研究所官網）
為了規避大氣對空間伽瑪信號的阻礙和干擾，一大類觀測實驗被放在空間衛星上，讓伽瑪射線在進入大氣前就被觀測到。這類太空望遠鏡的優點是不受大氣干擾，巡天快，得到信號之後可以迅速指向重點區域深入觀測，並指示其他項目做多波段多信使探測。美國NASA主持的費米伽瑪射線太空望遠鏡（GLAST）就是很典型的空間伽瑪射線觀測項目，其高靈敏、高精度、快巡天的特點，為伽瑪暴宇宙學的發展立下了功勳。
但是大氣外的空間觀測必須依託衛星或者空間站，硬件上存在上限，想進一步提高靈敏度和空間精度，需要克服極大難度。另一個思路是把實驗平臺建設在地球表面，理論上就不存在空間對硬件的限制。這類觀測項目一般把多個較小的觀測儀器，用陣列的方式覆蓋一大片（數萬至數百萬平方米）空氣純淨的高原區域。
陣列望遠鏡並不直接觀測空間粒子，而是接收空間粒子與大氣產生的次級產物，通過次級粒子的種類、能量和簇射分佈特點，重建最初的轟擊大氣的空間粒子的種類和能量，這就完成了一次觀測。大氣簇射一般在海拔四千米左右達到最大範圍，之後逐漸衰減，到達普通平原地區時信號已經比較微弱。而西藏羊八井恰好處在四千三百米的海拔高度，在這裡建設伽瑪射線探測設施是非常適宜的。西藏羊八井ASgamma實驗自上世紀90年代一期建成並運行後，取得了一系列重大成果。
西藏羊八井ASgamma實驗陣列航拍圖（圖片來自新華社/晉美多吉攝）
地面觀測存在兩個難點：一是空間粒子在大氣中產生的簇射粒子數目非常龐大，需要大量計算才能得到想要的粒子信息；二是不同的宇宙粒子與大氣作用產生的簇射粒子，可能在種類上有重疊，因而需要大量工作才能從海量簇射信息中找出想要的空間粒子。
西藏羊八井ASgamma陣列觀測項目，是一個較為特殊的陣列望遠鏡。它在地面上佈置閃爍陣列，用來探測伽瑪射線轟擊大氣產生的帶電粒子。但是其他宇宙高能粒子，例如質子，也會與大氣反應產生帶電粒子，這就為觀測帶來了海量的干擾信號，非常影響實驗靈敏度。
2014年，該陣列項目在地下新增了一批傳感器，用來探測大氣簇射中一種不帶電的粒子。由於質子帶電，伽瑪射線（光子）不帶電，地上地下的陣列一起就可以把質子產生干擾直接剔除，這大大增加了有效信號，讓ASgamma的靈敏度達到當前世界最頂級水平。
西藏羊八井Asgamma實驗地下探測器（圖片來自中科院高能物理研究所官網）
水到渠成地，羊八井發現了越來越多的高能伽瑪暴，並在近日一舉捕捉到難以想象的450TeV信號。在短時間內多次打破人類觀測伽瑪暴能量的最大值，這是人類實驗技術的壯舉，也為我們揭開了大自然的又一層面紗：
曾被某些理論斷言不可能存在的、曾經稀少且被淹沒在噪聲中無法捕捉的、曾經被多個基礎理論和學科需要而求之不得的，甚高能宇宙伽瑪射線，如今真真切切地擺在人類眼前，擺在羊八井風化的亂石戈壁中，人類或許將面臨一次宇宙科學乃至宇宙觀點的革新。
羊八井也並不是終點。結合羊八井項目的經驗，我國正在四川的高山建設新的伽瑪射線陣列探測項目，其捕獲伽瑪射線的靈敏度相比羊八井將成數量級地提高。這將與在建（或在規劃）的其他國際探測項目一起，組成未來人類更“明亮”的眼睛，注視向更深、更深的宇宙。
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