記者從中國科學院高能物理研究所獲悉，位于四川稻城縣的國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到最高1400萬億電子伏特(1.4PeV)的伽馬光子，這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系的傳統(tǒng)認知，開啟 “超高能伽馬天文學”的時代。這些發(fā)現(xiàn)于17日發(fā)表在《自然》(《Nature》)雜志上。

據(jù)了解，高海拔宇宙線觀測站尚在建設中，此次報道的成果是基于已經(jīng)建成1/2規(guī)模的探測裝置、2020年11個月的觀測數(shù)據(jù)。科學家們發(fā)現(xiàn)了能量1400萬億電子伏特的光子，來自天鵝座內(nèi)非常活躍的恒星形成區(qū)。還發(fā)現(xiàn)了12個穩(wěn)定伽馬射線源，能量一直延伸到1000萬億電子伏特左右，這是LHAASO發(fā)現(xiàn)的銀河系內(nèi)最明亮的一批伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高于周圍背景7倍標準偏差以上，源的位置測量精度優(yōu)于0.3度。

“這次觀測積累的數(shù)據(jù)還很有限，但所有能被LHAASO觀測到的源，它們都具有100萬億電子伏特以上的伽馬輻射，也叫‘超高能伽馬輻射’。”中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員、國家重大科技基礎設施LHAASO項目經(jīng)理兼首席科學家曹臻表示。這表明銀河系內(nèi)遍布拍電子伏特加速器，而人類在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC)只能將粒子加速到10萬億電子伏特左右。

走近海拔4410米的觀測站

中國力量 這樣仰望星空

據(jù)了解，高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里，由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列(簡稱KM2A)、78000平方米水切倫科夫探測器、18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成復合陣列，采用四種探測技術(shù)全方位、多變量測量宇宙線。

LHAASO項目經(jīng)理兼首席科學家曹臻說，高海拔宇宙線觀測站的核心科學目標就是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究。廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源，精確測量它們的能譜，揭示宇宙線產(chǎn)生、加速和傳播的規(guī)律，探索新物理前沿。

據(jù)了解，目前在建的LHAASO是我國第三代高山宇宙線實驗。高山實驗是宇宙線觀測研究中能夠充分利用大氣作為探測介質(zhì)、在地面進行觀測的重要手段。

西南交大20多人參與LHAASO項目

成都力量 填補一項國際空白

17日，成都商報-紅星新聞記者了解到，西南交通大學有20多名師生參與LHAASO國際合作組，是除高能物理研究所外參與人數(shù)最多的單位。那么，在LHAASO項目中，西南交大擔任著什么樣的角色呢?

據(jù)悉，西南交大從1989年開始就參與西藏羊八井宇宙線觀測實驗，是LHAASO項目建設的核心單位之一。其承擔了WFCTA激光標定和大氣監(jiān)測系統(tǒng)的建設任務，完成了3套激光標定系統(tǒng)的遠程控制運行設計，編寫并不斷完善值班人員遠程運行該系統(tǒng)手冊。該系統(tǒng)于2020年10月份成功運行，實現(xiàn)了對LHAASO-WFCTA的絕對標定和大氣監(jiān)測，填補了國際上在海拔4400米運用激光光束標定宇宙線探測器的空白。

值得一提的是，在原初粒子誘發(fā)的簇射粒子中，謬子探測器和電磁粒子探測器作為本次LHAASO項目重要成果的記錄者，西南交大參與了其中的設計研制、安裝運行、性能測試等工作;在宇宙線的物理分析方面，西南交大參與了利用KM2A進行宇宙線的輕成份譜、重核能譜的研究工作。

“信使”帶來了什么?

宇宙線，是地球的天外來客，被稱作“銀河隕石”，是傳遞宇宙大事件的“信使”。中國科學院高能物理研究所研究員、LHAASO項目經(jīng)理兼首席科學家曹臻，正是宇宙線觀測領域的研究者。他表示，LHAASO此次科學發(fā)現(xiàn)在宇宙線起源的研究進程上具有里程碑意義，其科學突破在于幾個方面——

顛覆認知

宇宙線加速器

“能量極限”被突破

銀河系內(nèi)的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”，過去預言的極限就在100萬億電子伏特左右，從而預言的伽馬射線能譜在100萬億電子伏特以上有“截斷”現(xiàn)象。LHAASO的發(fā)現(xiàn)完全突破了這個“極限”，大多數(shù)源沒有截斷。這些發(fā)現(xiàn)開啟 “超高能伽馬天文”觀測時代，表明以天鵝座恒星形成區(qū)、蟹狀星云等為代表的非熱輻射天體，即年輕的大質(zhì)量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體，有助于破解宇宙線起源這個“世紀之謎”。 科學家們也需要重新認識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，探索極端天體現(xiàn)象及其相關的物理過程并在極端條件下檢驗基本物理規(guī)律。

載入史冊

“伽馬天文學”迎來超高能時代

同時，此次研究成果開啟“超高能伽馬天文學”時代。曹臻表示，1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺的實驗組成功發(fā)現(xiàn)了首個具有100萬億電子伏特以上伽馬輻射的天體，標志著“甚高能”伽馬射線天文學時代的開啟。在隨后的30年里，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過兩百個“甚高能”伽馬射線源。直到2019年人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。出人意料的是，僅基于1/2規(guī)模的LHAASO不到1年的觀測數(shù)據(jù)，就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個。“隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預見這一探索極端宇宙天體物理現(xiàn)象的最高能量天文學研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知‘超高能宇宙’。”曹臻告訴記者。

世紀突破

天鵝座恒星形成區(qū)或是宇宙線起源

此外，此次研究成果也是能量超過1000萬億電子伏特的伽馬射線光子首現(xiàn)于天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮區(qū)域，擁有多個具有大量大質(zhì)量恒星的星團，大質(zhì)量恒星的壽命只有百萬年的量級，因此星團內(nèi)部充滿大量恒星生生死死的劇烈活動，具有復雜的強激波環(huán)境，是理想的宇宙線加速場所，被稱為“粒子天體物理實驗室”。“LHAASO在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)1400萬億電子伏特的伽馬光子，使得這個本來就備受關注的區(qū)域成為超高能宇宙線源的最佳候選者，也就自然是LHAASO以及相關的多波段觀測、乃至于多信使天文學的巨大熱門，有望成為解開‘世紀之謎’的突破口。”曹臻表示。

關鍵詞： 能量極限 突破 伽馬天文學 超高能時代