最近，科学领域有一个轰动的消息：中日合作实验团队利用我国西藏羊八井ASgamma实验阵列发现迄今为止最高能量的宇宙伽玛射线，这些宇宙伽玛射线来自蟹状星云方向，能量高达450TeV（万亿电子伏特）, 比此前国际上正式发表的75TeV的最高能量高出5倍以上，标志着超高能伽玛射线天文观测进入到100 TeV以上的观测能段。
为什么这个观测成果引起了全球关注？伽玛射线是什么？450万亿电子伏特是什么概念？西藏羊八井ASgamma实验阵列是如何进行观测的，为何能取得如此重大的成果？我们又为什么研究宇宙伽玛射线暴？
栗子在电视新闻上看到这则报道时，这些问题就萦绕在脑海里。想必，除了该领域的专业人士，大多数普通人会和栗子有同样的疑问。为了解答这些疑问，为了在简要的新闻报道之外，和大家一起真正理解这一观测研究成果，栗子采访了理论物理学博士于赫夫，让我们一起来看看于博士深入浅出的解读。
伽玛（gamma）射线，其实就是波长很短的电磁波（光子）。红外线、可见光、紫外线、X射线和伽玛射线本质上都是电磁波，只不过伽玛射线的波长最短，频率最高，单光子的能量最高。
最初人们认为，这种“脾气最暴”的电磁波如果大范围产生，那只可能来自核武器。因此美国在上世纪60年代开始，用卫星接收伽玛射线信号来监视其他国家的核武器试验。然而该卫星对核试验的监视并没有什么收获，却发现了来自宇宙空间的高能伽玛粒子流，并从这时开始，引出了至今半个多世纪最活跃的宇宙学课题之一：伽玛暴宇宙学。
伽玛暴（gamma ray burst），顾名思义是一种伽玛射线；而“暴”的意思，是指它持续的时间非常短，典型持续时间只有0.1秒至数十秒，能量暴发式释放。伽玛暴从发现和公开至今，其来源、产生机制和背后揭示的高能物理规律，引发了持续热烈的讨论。
这种特殊的电磁射线来自很遥远的星系，其能量高，光子数量少（天体事件辐射出的粒子，其能量多数聚集在某一个值附近，能量比这个值高得越多，相应的粒子就越稀少），由于不带电荷而不受空间磁场的影响，因而有较好的准直性，可以指示人们其源头的位置。
这次事件中的伽玛射线源头：距离地球6500光年的蟹状星云（图片来自NASA）
换言之，伽玛暴是宇宙中光速飘荡的高能电磁波，稀疏地淹没在海量的星际射线中，谁能捕捉到它，谁就能“看”到其产生源头——深远宇宙空间中的信息。
高能伽玛射线很容易与其他物质发生反应而损失能量，因而科学家们最初认定遥远星系的高能电磁波很难到达地球，以为探测到的空间伽玛信号来自银河系内部。但随后的观测和计算表明，伽玛暴信号源与整个银河系的运动以及天体分布没有关联。这表明伽玛暴来自银河系外，是宇宙尺度的天文现象。再结合其极高的能量，科学家们才逐步认识到自己发现的现象尺度多么宏大，烈度多么壮阔。
伽玛暴的产生机制要从其持续时间说起。不同持续时间的伽玛暴数目，并不是类似正态分布的，而是以2s为分水岭，伽玛暴的次数在零点几秒和几十秒处有两个峰值。这暗示伽玛暴有两钟产生机制。
主流的研究结果是，时间大于2s的伽玛暴（平均暴发时间约为30s）一般来自超大质量星体末期的塌缩。超大质量恒星的晚年，可通过吸积星际物质触发简并态的核聚变反应；由于简并态物质不能及时地通过膨胀做功来释放能量和降温，因而核聚变反应会异常剧烈，最终将几乎所有反应能量暴发式释放，也就是大家常听说的超新星爆发。有些超新星由于自身和周围物质的特殊属性，形成高强喷流，喷流中的伽玛射线携带大量能量，跨越千万乃至百亿光年的浩瀚空间，从宇宙的另一头来到地球与人类“握手”。
持续时间小于2s的伽玛暴（平均每次暴发时间约为0.3s），一般认为来自大质量致密星体碰撞、融合瞬间释放的大量能量。这些星体可以是双中子星、双黑洞，或者中子星和黑洞；例如，现在人们非常关心的一种伽玛暴来源，是两个黑洞绕转合并形成新的更大的黑洞，合并瞬间释放引力波和伽玛暴喷流，喷流沿着双黑洞绕转的转轴方向，其能量相比长伽玛暴一般低两三个数量级。
西藏羊八井Asgamma实验阵列发现的450TeV伽玛信号，是非常前沿的重大发现，该工作会很快在物理学最顶级刊物之一《物理评论快报（Physical Review Letters）》发表。至于此次伽玛暴的具体发生机制，还需要研究组公布更详细的信息以及进一步探究。目前可知的是，本次观测得到的信号来自蟹状星云方向，蟹状星云是超新星遗迹，其内部存在高能的、可以加速光子的电子，因而有观点认为本次450TeV伽玛暴可能来自蟹状星云高能电子对光子的加速效应。
西藏ASgamma实验观测到蟹状星云方向100TeV以上的伽玛射线（图片来自中科院高能物理研究所官网）
1电子伏特（eV），被定义成一个电子经过1伏特电势差加速之后得到的动能，是高能物理的常用单位。简单的单位换算后会发现，这个单位在数值上貌似比焦耳小很多（小大概19个数量级）；但应注意，使用电子伏特是从微观角度看待问题，一个生活中若干焦耳的发热过程往往加热了好几摩尔的粒子，每个粒子得到的能量用焦耳来表示是非常微小的，用电子伏特做单一粒子的能量单位则正合适。在地球上，正常室温的大气的粒子平均能量约为0.026eV，厨房做饭火焰中的粒子平均能量接近1eV，核爆炸中粒子的能量则多为数百至数万电子伏特。因此我们能体会到，电子伏特其实是个挺“大”的单位，若干电子伏特对应的宏观反应就已经剧烈到人类难以承受了。
为了理解羊八井Asgamma阵列探测到的百万亿级电子伏特的能量，我们把视野从地球转向空间：太阳稳定燃烧对应的单粒子能量约为数千电子伏特，而百万亿级电子伏特的暴发现象，则需要太阳燃烧约百亿年的能量（注意，这个时间已经接近宇宙年龄的数量级），或整个银河系数百年辐射能量，在几十秒内瞬间暴发。
因而可以想见，这是人类可观测宇宙中最壮阔的现象！即便在通常沉寂而深邃的宇宙尺度看来，伽玛暴依然明亮暴烈，宛如黑暗的宇宙中一闪而过的巨大的手电光束，仿佛要去贯穿整个时空。
西藏羊八井Asgamma实验表面阵列（图片来自中科院高能物理研究所官网）
高能伽玛暴既是有待揭示科学本质的重要自然现象，又是其他重大宇宙学和基础物理学问题的研究工具和“实验平台”。
科学的基础是实验。而有一类问题非常特殊，例如天文学、宇宙学和引力理论的很多问题，实验所需能量的总量和烈度过大，实验平台的尺度过大，实验器材无法制备，实验客体无法被直接操作，人们研究这类问题就不能完全靠人力搭建实验平台，而需要把宇宙本身作为实验室使用，把宇宙现象中发射的高能粒子、电磁波和引力波等信号作为研究数据。
伽玛射线暴具有极高能量，能为人类研究极高能标下的物理提供非常宝贵的工具；且伽玛射线不带电荷，不会在空间磁场中偏转，因而可以很好地指示人们伽玛暴源头的位置，便于后续探测伽玛暴余辉。
要知道，人类为了进行能量比伽玛暴小若干数量级的高能粒子实验，需要耗资数十甚至上百亿美元，且每增加一个实验能标的数量级，都要克服巨大困难，耗费更大的财力、人力和统筹时间。所以载有宝贵的宇宙深处高能信息的伽玛暴的信号，简直测到就是赚到。
西藏羊八井ASgamma实验阵列的探测器单元（图片来自新华社/普布扎西摄）
高能伽玛射线会与大气发生相互作用，反应产生的次级高能粒子会继续与大气反应，多级反应最终产生的粒子，以伞状层层向下，覆盖宽度可达数公里，这就是高能粒子轰击大气产生的簇射现象。
宇宙射线进入大气后产生空气簇射的示意图（图片来自中科院高能物理研究所官网）
为了规避大气对空间伽玛信号的阻碍和干扰，一大类观测实验被放在空间卫星上，让伽玛射线在进入大气前就被观测到。这类太空望远镜的优点是不受大气干扰，巡天快，得到信号之后可以迅速指向重点区域深入观测，并指示其他项目做多波段多信使探测。美国NASA主持的费米伽玛射线太空望远镜（GLAST）就是很典型的空间伽玛射线观测项目，其高灵敏、高精度、快巡天的特点，为伽玛暴宇宙学的发展立下了功勋。
但是大气外的空间观测必须依托卫星或者空间站，硬件上存在上限，想进一步提高灵敏度和空间精度，需要克服极大难度。另一个思路是把实验平台建设在地球表面，理论上就不存在空间对硬件的限制。这类观测项目一般把多个较小的观测仪器，用阵列的方式覆盖一大片（数万至数百万平方米）空气纯净的高原区域。
阵列望远镜并不直接观测空间粒子，而是接收空间粒子与大气产生的次级产物，通过次级粒子的种类、能量和簇射分布特点，重建最初的轰击大气的空间粒子的种类和能量，这就完成了一次观测。大气簇射一般在海拔四千米左右达到最大范围，之后逐渐衰减，到达普通平原地区时信号已经比较微弱。而西藏羊八井恰好处在四千三百米的海拔高度，在这里建设伽玛射线探测设施是非常适宜的。西藏羊八井ASgamma实验自上世纪90年代一期建成并运行后，取得了一系列重大成果。
西藏羊八井ASgamma实验阵列航拍图（图片来自新华社/晋美多吉摄）
地面观测存在两个难点：一是空间粒子在大气中产生的簇射粒子数目非常庞大，需要大量计算才能得到想要的粒子信息；二是不同的宇宙粒子与大气作用产生的簇射粒子，可能在种类上有重叠，因而需要大量工作才能从海量簇射信息中找出想要的空间粒子。
西藏羊八井ASgamma阵列观测项目，是一个较为特殊的阵列望远镜。它在地面上布置闪烁阵列，用来探测伽玛射线轰击大气产生的带电粒子。但是其他宇宙高能粒子，例如质子，也会与大气反应产生带电粒子，这就为观测带来了海量的干扰信号，非常影响实验灵敏度。
2014年，该阵列项目在地下新增了一批传感器，用来探测大气簇射中一种不带电的粒子。由于质子带电，伽玛射线（光子）不带电，地上地下的阵列一起就可以把质子产生干扰直接剔除，这大大增加了有效信号，让ASgamma的灵敏度达到当前世界最顶级水平。
西藏羊八井Asgamma实验地下探测器（图片来自中科院高能物理研究所官网）
水到渠成地，羊八井发现了越来越多的高能伽玛暴，并在近日一举捕捉到难以想象的450TeV信号。在短时间内多次打破人类观测伽玛暴能量的最大值，这是人类实验技术的壮举，也为我们揭开了大自然的又一层面纱：
曾被某些理论断言不可能存在的、曾经稀少且被淹没在噪声中无法捕捉的、曾经被多个基础理论和学科需要而求之不得的，甚高能宇宙伽玛射线，如今真真切切地摆在人类眼前，摆在羊八井风化的乱石戈壁中，人类或许将面临一次宇宙科学乃至宇宙观点的革新。
羊八井也并不是终点。结合羊八井项目的经验，我国正在四川的高山建设新的伽玛射线阵列探测项目，其捕获伽玛射线的灵敏度相比羊八井将成数量级地提高。这将与在建（或在规划）的其他国际探测项目一起，组成未来人类更“明亮”的眼睛，注视向更深、更深的宇宙。
本文采访专家：于赫夫，理论物理学博士，长春工程学院讲师。原创内容，转载请注明出处和作者。
京公网安备11010502039775号
