宇宙线起源中物理学前沿问题

宇宙线是由奥地利物理学家赫斯在1912年高空气球实验中发现的.此后,人们在宇宙线的研究中发现了众多的基本粒子及其相互作用规律,中微子振荡的最早发现也来自太阳中微子和大气中微子实验.迄今为止,人们所知道的最高能量的粒子也来自于宇宙线的观测.宇宙线的起源、加速和传播是一个世纪科学问题,从中诞生了高能伽玛天文学、高能中微子天文学和极高能宇宙线天文学.目前,人们已经发现了为数众多的电子加速源,但作为宇宙线成分中最为主要的核子,其起源问题依然没有解决.精确测量宇宙线核子的成分和能谱,观测和研究高能伽玛射线、高能中微子及极高能宇宙线的产生地点和相关机制,有助于解决宇宙线的起源问题.此外,这些研究也是间接探测暗物质粒子,研究宇宙演化和新物理学规律的重要手段.     

探究中微子的第一人:雷蒙德·戴维斯

1914年10月出生在美国的诺贝尔奖获得者雷蒙德·戴维斯(Raymond Davis),2006年5月31日因早老性痴呆症与世长辞,享年91岁。戴维斯是探究恒星“心脏”的第一人,他是通过俘获在核聚变反应过程中放射出的中微子进行这一工作的,而核聚变则是太阳及其向太空发射光流的动力。据天体物理学家称,太阳每秒钟释放的中微子数量为2后面跟38个0,这意味着当你在读这篇文章的时候,数十亿的中微子以几近光的速度穿过了你的眼球。1960年代,戴维斯进行了一项试验,他在达科他一英里深的地底下试图俘获太阳中微子,旨在了解恒星究竟是如何工作的。当时,许多人认为…     

奇怪的新种类

美国天文学家发现了一类新的天体：一群独特的Y射线源。它们比以前看到的那些散布于天空中各个不同部分的了射线源要弱一些,但离我们也更近一些。它们是什么呢？它们是从哪里来的呢？从20世纪为年代开始天文学家们就开始监测太空中的低频辐射,但是对于甚高频、高能宇宙射线（X射线和Y射线）的研究只是在近为多年的时间里才发展起来。我们知道,X射线可以帮助我们看到物体的某些用肉眼无法看到的特征。与此类似,X射线和Y射线天文学可以使我们“看”到更多的、奇怪的、未知的星体。高能射线是由宇宙中一些非常极端的天体或事件产生的：…     

多信使的盛宴

<正>在过去几十年内,天文学家已经观测到了几千个耀变体。"耀变体发射高能宇宙线和高能中微子"的图景很漂亮,却一直未得到有力的证实。但这个局面在2018年9月发生了改变:"冰立方"探测到一个遥远的超高能的中微子,而伽玛射线卫星探测到同一方向来的伽玛射线辐射。这两个探测结果表明,"耀变体发射高能宇宙线和高能中微子"的图景很可能是正确的,因此这个结果也被视为多信使天文学的一大突破。     

宇宙X射线爆发源

1962年火箭探测发现第一个宇宙X射线源天蝎座X-1。八年以后,1970年“自由号”(Uhuru)卫星一举发现了162个X射线源,X射线天文学便迅速崛起。最近,“高能天文台”2号卫星(即“爱因斯坦天文台”)以极高的灵敏度和精确度(定位精度达4弧秒)对天体     

多波段天文学

1608年望远镜问世,1609年伽利略率先用望远镜观测天体和天象,并很快做出一系列重要的发现,开创了天文观测和研究的新纪元。随着技术进步和认识上的提高,从1940年代起的几十年中,相继诞生并发展了射电天文学、红外天文学、紫外天文学、X射线天文学和 射线天文学,从而实现了对天体辐射观测的全波段覆盖,诞生了多波段天文学,人类对宇宙和宇宙中各类天体、天象的物理本质的认知迈入了全新的阶段。     

宇宙γ射线暴

宇宙γ射线暴(以下简称γ暴)是七十年代高能天体物理学中的重大发现。如同六十年代X射线源、射电脉冲星的发现一样,γ暴的发现也是偶然的,然而,又是空间科学发展的必然产物。这种γ射线的爆发短暂、高能、出现又无规则,因而吸引了许多实验和理论工作者。它们来自何方?是什么样的天体在怎样的过程中产生的?至今仍是一个诱人的谜。     

天文学界的"能人" --里卡尔多·贾科尼侧记

2002年物理学诺贝尔奖揭晓的第二天,在哈佛-史密松天体物理中心举行了小型庆祝会.因为这里是获奖者之一里卡尔多·贾科尼(Riccardo Giacconi)曾经长期工作的地方,也是他的得奖项目--空间X射线天文学的发源地.     

超高能宇宙线从何而来?

宇宙线是来自外太空的唯一物质样本,携带着粒子物理、高能天体物理、宇宙物质组成及其演化的丰富信息.已知的宇宙线粒子最高能量约为3×10~(20) eV."宇宙线是如何被加速的?""其起源天体是什么?""在这样的高能情况下,已知的物理学规律是否还能适用?"等这些都是有待解决的重大科学问题.为此人们通过多种实验手段在空间和地上开展宇宙线的多信使研究.在过去的几十年里,宇宙线、伽马射线和中微子观测取得了丰富的成果:(1)宇宙线能谱、成分和各向异性的测量精度达到了史无前例的水平,极高能宇宙线的偶极各向异性表明这些粒子来自银河系之外;(2)空间实验发现了3000多个GeV伽马源,地面实验发现了近200个TeV源,它们大多为高能电子源,有几个已被认证为强子源;(3)冰立方实验发现了近百个高能中微子,它们的各向同性分布暗示着河外起源.这些新结果为解决宇宙线的起源问题和发展相关的粒子加速理论奠定了基础.新一代更高灵敏度的实验装置的建设和运行正在开启宇宙线粒子天体物理研究的新篇章.     

八十年代的天文学研究

天文学正处于黄金时代。1960年以来的新发现有:类星体(1963),宇宙微波本底辐射(1965),脉冲星(1967),中子星双星(1970),射电源的超亮膨胀(1971),日冕穴(1973),双脉冲星引力波辐射的证明(1974),异常太阳中微子流(1976),超γ射线爆发(1979)和引力波透镜(1979)。现在利用射电、红外线、紫外线、X 射线和γ射线方法已有可能研究单由光学天文学所不能及的现象。物理学在提供发展技术和天文学理论框架两方面起着日益重要的作用。现今,原子、分子、原子核和等离子体物理在解释天文学数据方面已是不可缺少的工具。宇宙学和超密组态的研究亦以广义相对论和基本粒子物理为依据。美国科学院天文观测委员会预期在八十年代:     

2002年度诺贝尔奖获得者简介

诺贝尔物理学奖 美国科学家戴维斯(R.Davis Jr)和日本科学家小柴昌俊,因在天体物理学领域尤其是对宇宙中微子探测的开创性贡献而共享2002年度诺贝尔物理学奖的一半;此项奖的另一半奖给了意大利科学家贾科尼(R.Giacconi),表彰他在天体物理学领域中因发现宇宙X射线源所做出的卓越贡献.他们的工作为科学家观测宇宙打开了两扇新的"窗口".     

探索宇宙的奥妙，预测宇宙的未来

探索宇宙的奥妙,预测宇宙的未来,一直是人类的梦想。2002年诺贝尔物理奖就是表彰在天体物理学领域做出贡献的科学家。他们是美国科学家雷蒙德·戴维斯、日本科学家小柴昌俊和美国科学家里卡尔多·贾科尼。戴维斯和小柴昌俊因为在“探测宇宙中微子”方面取得的成就,贾科尼因为在“发现宇宙X射线源”方面取得的成就而荣获2002年诺贝尔物理奖。     

物理:投资中微子天文学

正劳伦斯伯克利国家实验室核能科学部的资深科学家、加州大学伯克利分校物理学家斯潘塞·克莱因(Spencer Klein)呼吁:建设更大型的望远镜阵列,捕捉来自宇宙能量最大地方的粒子。中微子天文学即将获得突破。从2010年起,在南极洲进行的"冰立方"实验——在1立方千米的冰层中布置了5 160个篮球大小的光传感器——已经探测到来自太空深处的二十多个高能中微子。尽     

射电子源的超光速分离

河外射电源传统的天文观测借助于光学望远镜(包括人眼),接收天体发出的光波.但是,光波只是电磁波的极小的一部分,而天体除了发出光波外,往往还发出其他波段的电磁波,如无线电波、X射线、r射线等.观测这些波段的辐射不能用光学望远镜,而需用其他的仪器.从本世纪三十年代发展起来的射电望远镜就是用来接收天体发出的无线电波的仪器.射电望远镜的问世,发现了许多前所未知的现象,极大地扩展了人们的眼界,深化了人们对天体本质的认识,成为天文学史上一个重要的里程碑.     

如何理解高能伽玛射线暴?

伽玛射线暴(简称伽玛暴或gamma ray burst,GRB)是来自宇宙深处的、短时标的伽玛射线突然增强的现象,是宇宙大爆炸之后最猛烈的爆发现象.伽玛暴可分为长暴(持续时间T_(90)2 s)和短暴(T_(90)2 s).观测发现,长暴起源于大质量恒星的塌缩,而短暴起源于双致密星的并合.除了瞬时伽玛辐射,伽玛暴分别在暴后周、月和年时间量级上还会产生X射线、光学和射电余辉.理论上,伽玛暴的瞬时辐射被认为产生于相对论喷流内部的能量耗散过程,而多波段的余辉则产生于相对论喷流与外部介质之间的相互碰撞引起的外激波.因此,伽玛暴是研究致密天体(恒星级质量黑洞和中子星)诞生、引力波辐射、相对论激波、极高能宇宙线、高能中微子等极端物理现象以及高精度检验基本物理原理的天文实验室,也是早期宇宙恒星形成和演化、高红移星系、高红移宇宙学的重要探针.伽玛暴的研究横跨当今天文学、宇宙学、物理学等学科,是当前国际竞争最激烈的自然科学基础研究领域之一.2017年8月17日,LIGO(laser interferometer gravitational wave observatory)/Virgo引力波天文台和Fermi卫星同时分别探测到引力波事件GW170817和短时标伽玛暴GRB170817A,开辟了多信使天文学的新时代.本文结合相关的关键科学问题评述了伽玛暴和引力波电磁对应体研究领域的最新研究进展,并基于伽玛暴学科领域的发展态势和我国现有的研究基础,讨论如何抓住机遇、布局跨学科的重大研究计划,促进国内与伽玛暴相关科学设备成果的最大化,全面提升我国在这个领域的国际影响力.     

类星体发现五十年

正1960年代,近代天文学开始起航,航队的旗舰,便是1963年发现的类星体。到今年,近代天文学已走过了整整五十年。所谓近代天文学,是以四大发现为标志的,这四大发现是类星体、脉冲星、星际分子和宇宙背景辐射。1963年,美籍荷兰裔天文学家施密特(M.Schmidt)揭开了类星体的面纱,宇宙中一种崭新的天体被发现。屈指算来,整整五十年。换句话说,近代天文学已经走过了半个世纪的历程。     

太阳中微子动摇了物理定律

美国天体物理学家认为.用粒子物理的标准模型来解释太阳中微子是不充分的。过去,天体物理学家一直用标准模型来预期来自太阳的中微子通量,但20年来在南达科打州的 Homestake 金矿中测得的来自太阳的中微子通量只有预期的1/3和1/2。此     

地球中微子:来自地球深部的信使

中微子是构成物质世界最基本的单元之一,在自然界广泛存在.正在建设的江门中微子实验站(JUNO)是我国第二个大型国际领先的中微子实验站.地球中微子(geo-neutrino)是地球内部天然放射性元素(主要是~(238)U,~(232)Th和~(40)K三种同位素)衰变产生的反电子中微子.它们在衰变过程中也同时释放出大量热能,是驱动地球演化的主要地热能来源之一.地球中微子的通量和产生的热能成固定比例.因此,测量地球中微子的通量,可以获得放射性元素分布及其对地热能的贡献.江门中微子实验站的探测器质量为2万吨,运行一年所获取的地球中微子事例数达到400个以上,超过全球已有地球中微子探测器10年所探测事例的总和.江门中微子实验站周围500 km以内贡献50%以上的地球中微子事例数,利用地球科学手段可合理、有效估算实验站周围及邻区地壳的贡献,实验站测量总数减去地壳贡献,可得到地幔的贡献.因此,有效充分利用实验站可望帮助解决放射性元素衰变对地热能的贡献、测量Th/U比值和来自地幔的放射性地热等问题,并推动国内中微子地球科学研究的交叉领域发展.本文首先介绍了地球内部有关热量未解决的科学问题及地球中微子可能的贡献,其次介绍了地球中微子研究的国内外现状及精确地壳结构模型研究的重要意义,随后着重介绍了江门中微子实验的地球中微子探测潜力及其独特的地理位置和探测优势对地球科学研究的意义,最后给出总结和展望.     

科学家为何偏爱中微子

<正>人类首次确认37亿光年之外的超高能中微子的源头,这是继引力波之后的又一重大天文事件!人类探索宇宙的下一个重大发现也被认为或许就藏在宇宙中微子中。2018年7月,由威斯康辛大学麦迪逊分校主导的"冰立方"小组宣布,冰立方探测器于2017年9月22日探测到一个来自37亿光年之外的超高能中微子。美国宇航局(NASA)的费米卫星小组则宣布:在同一方向的一个编号为TXS 0506+056的天体的伽玛射线的亮度在此期间突然变大,这意味着这个中微子很可能来自耀变体     

自然信息

来自太空的新粒子天鹅座X-3是银河系中最著名的天体之一.它不仅发射X 射线和γ射线脉冲,而且还可能是一个宇宙加速器,它喷射出能到达地球的高能宇宙射线.现在两个地下实验又告诉我们,天鹅座X-3可能发射出地球上尚未知道的亚原子粒子.这两个实验的目的都是为了寻