國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)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1.4拍電子伏伽馬光子(拍=千萬億)，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(xué)”時代。這些發(fā)現(xiàn)于2021年5月17日發(fā)表在《Nature》(《自然》)。該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。

高海拔宇宙線觀測站尚在建設(shè)中，這次報道的成果是基于已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測裝置，在2020年內(nèi) 11個月的觀測數(shù)據(jù)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)最高能量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，光子能量一直延伸到1 拍電子伏附近，這是位于LHAASO視場內(nèi)最明亮的一批銀河系伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高于背景7倍標準偏差以上，源的位置測量精度優(yōu)于0.3°。雖然這次使用的數(shù)據(jù)還很有限，但所有能被LHAASO觀測到的源，它們都具有0.1拍電子伏以上的伽馬輻射，也叫“超高能伽馬輻射”。這表明銀河系內(nèi)遍布拍電子伏加速器，而人類在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的LHC)只能將粒子加速到0.01拍電子伏。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(yù)言的極限就在拍電子伏附近，從而預(yù)言的伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近會有“截斷”現(xiàn)象，LHAASO的結(jié)果完全突破了這個“極限”。這些發(fā)現(xiàn)開啟了 “超高能伽馬天文”觀測時代，表明年輕的大質(zhì)量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系內(nèi)加速超高能宇宙線的最佳候選天體，有助于破解宇宙線起源這個“世紀之謎”。LHAASO的結(jié)果表明，科學(xué)家們需要重新認識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，進一步研究極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過程，并在極端條件下檢驗基本物理規(guī)律。

《自然》物理科學(xué)總編Karl Ziemelis(卡爾?澤梅里斯)

點評論文《Ultrahigh-energy photons up to 1.4petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources”》

宇宙射線是一些帶電粒子，在宇宙中以接近光速的速度飛行。它們的速度如此之快，以至于其中一些粒子所攜帶的能量十分巨大，例如，比地球上的科學(xué)家在大型強子對撞機上加速粒子所能達到的能量值還要高出100倍以上。

我們?yōu)檫@種驅(qū)動宇宙粒子加速從而成為蘊含極大能量宇宙射線的天體起了一個名字，拍電子伏特宇宙線加速器，即PeVatron。它們在哪里，它們是什么，我們依舊沒有答案，但這篇論文為我們提供了一些重要的線索。追蹤這些高能量宇宙射線并非易事，因為太空中的磁場會讓粒子的行進路線扭曲、彎折，所以當偵測到有這樣的射線抵達地球時，我們或許可以確定它到達的方向，但這個方向卻未必與其出發(fā)方向一致。

不過，我們已知宇宙射線在其加速器附近會產(chǎn)生γ射線，所以或許尋找這種高能γ射線可以為尋找這些神秘的PeVatron指明方向。

這就是曹臻和同事們在這個新研究中所做的工作。他們報告了檢測到的12個超高能γ射線光子源，其中的每一個都代表著銀河系中一個潛在的PeVatron。盡管這些光子源中大部分尚未找到準確位置，但作者確認了其中一個就位于著名的超新星遺跡蟹狀星云中。

這些激動人心的發(fā)現(xiàn)盡管還很初步，但卻是因為部分建成的中國高海拔宇宙線觀測站的觀測工作才成為可能。未來待觀測站全部完工后，相信還會發(fā)現(xiàn)更多這樣的光子源。

不過我們已經(jīng)可以肯定銀河系中存在PeVatron，這些發(fā)現(xiàn)讓我們離了解高能宇宙射線起源又近了一步。

高海拔宇宙線觀測站及其核心科學(xué)目標

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(chǔ)設(shè)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，是由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的復(fù)合陣列。LHAASO采用這四種探測技術(shù)，可以全方位、多變量地測量宇宙線。

高海拔宇宙線觀測站的核心科學(xué)目標是：探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化和高能天體活動，并尋找暗物質(zhì);廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源，精確測量它們從低于1TeV(1萬億電子伏，也叫“太電子伏”)到超過1 PeV(1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”)的寬廣能量范圍內(nèi)的能譜;測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線加速和傳播的規(guī)律，探索新物理前沿。

拍電子伏宇宙加速器和PeV光子

“拍電子伏宇宙加速器(PeVatron)”周圍產(chǎn)生的“超高能伽馬光子”信號非常弱，即便是天空最為明亮且被稱為“伽馬天文標準燭光”的蟹狀星云，發(fā)射出來的能量超過1 PeV的光子在一年內(nèi)落在一平方公里的面積上也就1到2個，而這1到2個光子還被淹沒在幾萬個通常的宇宙線事例之中。LHAASO的平方公里探測陣列內(nèi)的1188個繆子探測器專門用于排除非光子信號，使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測器。借助這前所未有的靈敏度，1/2規(guī)模的KM2A僅用了11個月就探測到并證認了來自蟹狀星云的約1 PeV的伽馬光子。不僅如此，KM2A還在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個類似的源，他們都具有超高能光子輻射，其能譜穩(wěn)定地延伸到PeV附近，其中探測到的伽馬光子的最高能量達到創(chuàng)紀錄的1.4 PeV。由此可見， LHAASO的此次科學(xué)成果在宇宙線起源的研究進程中具有里程碑意義。具體來說有以下三個方面的科學(xué)突破：

1)揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^1 PeV的宇宙加速器。在這次觀測中，LHAASO所能夠有效觀測到的伽馬射線源中(觀測中超過5倍標準偏差的超出視為有效觀測)，幾乎所有的輻射能譜都穩(wěn)定延伸到幾百TeV且沒有明顯截斷，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過1 PeV。這突破了當前流行的理論模型所宣稱的銀河系宇宙線加速PeV能量極限。同時，LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)大量存在PeV宇宙加速源，也向著解決宇宙線起源這一科學(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步。

2)開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代。1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺成功發(fā)現(xiàn)了首個具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體，標志著“甚高能”伽馬射線天文學(xué)時代的開啟，在隨后的30年里，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩百多個“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)模不到1年的觀測數(shù)據(jù)，LHAASO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(yù)見這一最高能量的天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知的“超高能宇宙”，為探索宇宙極端天體物理現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù)。由于宇宙大爆炸產(chǎn)生的背景輻射無所不在，它們會吸收高于1 PeV的伽馬射線。到了銀河系以外，即使產(chǎn)生了PeV伽馬射線，由于背景輻射光子的嚴重吸收，我們也接受不到這些PeV伽馬射線。LHAASO打開銀河系PeV輻射探測窗口，對于研究遙遠的宇宙也具有特殊意義。

3)能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。PeV光子的探測是伽馬天文學(xué)的一座里程碑，承載著伽馬天文界的夢想，長期以來一直是伽馬天文發(fā)展的強大驅(qū)動力。事實上，上個世紀80年代伽馬天文學(xué)爆發(fā)式發(fā)展的一個重要動機就是挑戰(zhàn)PeV光子極限。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮的區(qū)域，擁有多個大質(zhì)量恒星星團，大質(zhì)量恒星的壽命只有幾百萬年，因此星團內(nèi)部充滿了恒星生生死死的劇烈活動，具有復(fù)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)PeV伽馬光子，使得這個本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區(qū)。這個區(qū)域?qū)⑹荓HAASO以及相關(guān)的多波段、多信使天文觀測設(shè)備關(guān)注的焦點，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。

歷史上對蟹狀星云大量的觀測研究，使之成為幾乎唯一具有清楚輻射機制的標準伽馬射線源，跨越22個量級的光譜精確測量清楚地表明其電子加速器的標志性特征。然而，LHAASO測到的超高能光譜，特別是PeV能量的光子，嚴重挑戰(zhàn)了這個高能天體物理的“標準模型”，甚至于對更加基本的電子加速理論提出了挑戰(zhàn)。

技術(shù)創(chuàng)新

LHAASO開發(fā)了遠距時鐘同步技術(shù)，確保整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水平;在高速前端信號數(shù)字化、高速數(shù)據(jù)傳輸、大型計算集群協(xié)助下滿足了多種觸發(fā)模式并行等尖端技術(shù)要求;首次大規(guī)模使用硅光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進探測技術(shù)，大大提高了伽馬射線測量的空間分辨率，達到了更低的探測閾能，使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，都達到前所未有的水平。LHAASO也為開展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿交叉科學(xué)研究提供了重要實驗平臺，并成為多邊國際合作共同開展高水平研究的科學(xué)基地。

中國的宇宙線研究發(fā)展歷程

中國的宇宙線實驗研究經(jīng)歷了三個階段，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實驗室。高山實驗?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y介質(zhì)，在地面進行觀測，探測器規(guī)模可遠大于大氣層外的天基探測器。由于超高能量宇宙線數(shù)量稀少，這是唯一的觀測手段。1954年，中國第一個高山宇宙線實驗室在海拔3180米的云南東川落雪山建成。1989年，在海拔4300米的西藏羊八井啟動了中日合作的宇宙線實驗;2000年，啟動中意ARGO實驗。2009年，在北京香山科學(xué)會議上，曹臻研究員提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構(gòu)想。LHAASO的主體工程于2017年開始建設(shè)，2019年4月完成1/4的規(guī)模建設(shè)并投入科學(xué)運行。2020年1月，LHAASO完成了1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運行，同年12月完成3/4規(guī)模并投入運行。2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為國際領(lǐng)先的超高能伽馬探測裝置，投入長期運行，從多個方面展開宇宙線起源的探索性研究。