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[转载]宇宙射线的各向异性及其围绕银河系中心旋转的证据
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| 宇宙射线的各向异性及其围绕银河系中心旋转的证据[羊八井宇宙射线实验中方合作组2007年5月17日]中国科学院发布的2007年《科学发展报告》的第四章论文《宇宙射线的向异性及其围绕银河系中心旋转的证据》，是处在中国西部西藏羊八井宇宙射线实验中方合作组的力作.人类身处的银河系是一个半径达几万光年的巨大空间，在这个巨大的空间中点缀着几千亿颗恒星.在浩瀚的星际空间中除了存在稀薄的气体物质外，还穿梭飞行着能量非常高的微观粒子.这些粒子的主要成分是带电原子核和电子，它们以接近光的速度飞行，被称为宇宙射线.由于在星际空间中还分布着强度以微高斯计的磁场，它们可以束缚银河系内的宇宙射线，使其不能够轻易逃逸出银河系.探测、研究宇宙射线的成分、能量及不同方向上的强度分布等，为我们提供了丰富的信息来了解宇宙射线的起源和在星际空间中的传播过程，同时也有助于我们了解银河系的磁场结构.为了探索宇宙射线的奥秘，半个世纪以来我国科学家付出了长期艰苦不懈的努力.20世纪90年代初，中日科学家合作在我国西藏自治区拉萨市西北约90公里处的羊八井建成了国际上著名的宇宙射线观测站（东经90.5度，北纬30.1度，海拔4300米，图1为观测站的全景图），中国方面由中国科学院高能物理研究所的潭有恒研究员负责，日本方面由东京大学宇宙线研究所的汤田利典教授负责.该观测站曾于1995年被美国《科学》杂志列为中国25个科研基地之一有六个可能的大科学计划之一，也曾被美国芝加哥大学的诺贝尔奖得主克罗宁（Cronin）教授誉为国际上最高品质的地面宇宙射线观测站.现在羊八井宇宙射线观测站配备有中国与日本合作的西藏大气簇射探测器阵列（TibetAirShowerArray，简称ASY，图1中白点构成的阵列）和中国与意大利使用的羊八井天体物理辐射地基观测装置（AstrophysicalRadiationwithGround-basedObservatoryatYamgBaJing，简称ARGO-YBJ，图1中右边的蓝顶实验大厅）.其中，ASy大气簇射实验阵列已经建成运行了16年，并经历了3次大的改进，在高能宇宙射线观测实验研究中取得了独特而出色的研究成果;自2000年以来，ARGO-YBJ也已经逐步建成，它的顺利运行将进一步提高羊八井宇宙射线实验的观测能力和范围.得益于大视场的条件和稳定运行多年所获取的400亿个宇宙线事例，ASY大气簇射实验发现，高能（介于万亿至数百亿电子伏特能量区间，作为对比，电子在五号电池的正负极间加速获得的能量为1.5eV）宇宙射线的流强在不同的方向上会有“微小”的差异[见图2中的(a)、(b)].为了理解这一最新的实验结果，我们可以想像一下地球表面上的大气.大气层基本上随地球的旋转而转动，并会由于太阳照射而造成温度和压力的差别从而使空气流动而形成风.迎着风的方向，空气流入量大，而在相反的方向上空气流入量则小.羊八井的实验结果同样表明，在太阳系附近观测到的宇宙射线的流强也有和“风”相似的地方，即有的方向上宇宙射线稍强些，有的方向上宇宙射线则稍弱些.由于宇宙射线是由带电粒子组成的，其强度的不均匀性很可能反映了太阳附近银河系磁场的结构.此外，通过分析数据我们还发现了在天鹅座方向上新的宇宙射线粒子源，其中除了高能带电粒子的贡献之外，还应当有中性伽马射线的贡献.这些现象有可能暗示在这个方向上离太阳系不太远（比如几百光年）的地方存在宇宙射线的发射源.我们的实验结果还表明，宇宙射线整体上是和太阳系一样围绕银河系中心旋转的（图3），这就如同大气层随着地球旋转一样.我们由此推测，在整个银河系里，宇宙射线等离子体和恒星与气体物质一样环绕银河系的中心旋转.人们已经认识到在银河系不同半径处的物质旋转角度速度是不一样的，即小半径转得快，大半径处转得慢.我们的观测结果反映出宇宙射线等离子体在银河系不同半径处与物质共转，因而具有不同的角速度.这些实验观测结果为研究宇宙射线起源和传播等问题提供了宝贵的信息.该实验结果由于其在宇宙射线研究中的重要意义，发表在2006年10月20日的《科学》杂志上.同期的《科学》杂志上还发表了宇宙线向异性研究领域的权威人士杜勒迪希（Duldig）博士专门对我们工作的评述和期望.他希望我们能尽快改进升级“西藏大气簇射探测器阵列”，进一步推进这一前沿研究，扩大战果.目前羊八井的两个实验都具有大视场、全天候的优点，工作在TeV（10^12电子伏特）能区，较简单的改造就可以使之在100TeV能区有很高的灵敏度以深入研究银河系宇宙射线源.羊八井观测站的高海拔也有利于我们在将来把能区进一步降低几十倍从而可以观测宇宙深处的射线源，以开始天文学，宇宙学相关的研究.图2(A)、(B)显示不同时期里宇宙线强度在赤纬和赤经坐标下的分布图;I、III区的红色表示比平均的强度有1%左右的增强，而II区的蓝色表示有嗨瞥潭鹊娜鄙?(C)图表明这种差别不随年份，也即不随太阳活动而变化;(D)图是合并(A)、(B)数据后III区强度增强的显著性分布图;(E)图显示III区更细致的结构，空间上存在很小尺度内宇宙线强度的增强现象说明这里可能有中性伽马射线的发射.如果宇宙线不随太阳绕银河中心旋转，则其与太阳系有相对的速度，在地球上的观测者会感觉到相对的宇宙线的“风”，即强度按等高线表示的方式变化.但数据表明这样的风并不存在，也就是说，宇宙线其实随太阳系一起绕银河中心转动（称共转）;(b)图十是实验测量结果，实线是投影到赤纬方向的强度经拟合后的分布，虚线是没有共转的情况下预期的宇宙线强度分布. |
来源：2007年《科学发展报告》 |
https://blog.sciencenet.cn/blog-3609997-1452182.html
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