传统 聚焦“天外来客”｜突破对银河系的传统认知 大量超高能宇宙加速器被发现
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封面新闻采访人员 杨晨 刘微 罗彬月 王秋萱 袁一瑗 欧阳晨雨 梁家旗 罗一致（实习）
宇宙无限，信使有痕。5月17日，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”公布在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到能量达1.4拍电子伏的伽马光子（拍=千万亿），这是人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了 “超高能伽马天文学”的时代。这些发现将于2021年5月17日发表在《Nature》（自然）。该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成。
高海拔宇宙线观测站尚在建设中，这次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置，在2020年内 11个月的观测数据。科学家发现最高能量的光子来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区，还发现了12个稳定伽马射线源，光子能量一直延伸到1 拍电子伏附近，这是位于LHAASO视场内最明亮的一批银河系伽马射线源，测到的伽马光子信号高于背景7倍标准偏差以上，源的位置测量精度优于0.3°。虽然这次使用的数据还很有限，但所有能被LHAASO观测到的源，它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”。
同时，这表明银河系内遍布拍电子伏加速器，而人类在地球上建造的最大加速器（欧洲核子研究中心的LHC）只能将粒子加速到0.01拍电子伏。银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”，过去预言的极限就在拍电子伏附近，从而预言的伽马射线能谱在0.1 拍电子伏附近会有“截断”现象，LHAASO的结果完全突破了这个“极限”。这些发现开启了 “超高能伽马天文”观测时代，表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体，有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。 LHAASO的结果表明，科学家们需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，进一步研究极端天体现象及其相关的物理过程，并在极端条件下检验基本物理规律。
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发现拍电子伏宇宙加速器和PeV光子又何意义？
“拍电子伏宇宙加速器（PeVatron）”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱，即便是天空最为明亮且被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云，发射出来的能量超过1 PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个，而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中。LHAASO的平方公里探测阵列内的1188个缪子探测器专门用于排除非光子信号，使之成为全球最灵敏的超高能伽马射线探测器。借助这前所未有的灵敏度，1/2规模的KM2A仅用了11个月就探测到并证认了来自蟹状星云的约1 PeV的伽马光子。不仅如此，KM2A还在银河系内发现了12个类似的源，他们都具有超高能光子辐射，其能谱稳定地延伸到PeV附近，其中探测到的伽马光子的最高能量达到创纪录的1.4 PeV。由此可见， LHAASO的此次科学成果在宇宙线起源的研究进程中具有里程碑意义。
具体来说有以下三个方面的科学突破。此次发现揭示了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1 PeV的宇宙加速器。在这次观测中，LHAASO所能够有效观测到的伽马射线源中（观测中超过5倍标准偏差的超出视为有效观测），几乎所有的辐射能谱都稳定延伸到几百TeV且没有明显截断，说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量超过1 PeV。这突破了当前流行的理论模型所宣称的银河系宇宙线加速PeV能量极限。同时，LHAASO发现银河系内大量存在PeV宇宙加速源，也向着解决宇宙线起源这一科学难题迈出了至关重要的一步。
开启“超高能伽马天文学”时代。1989年，亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1 TeV以上伽马辐射的天体，标志着“甚高能”伽马射线天文学时代的开启，在随后的30年里，已经发现超过两百个“甚高能”伽马射线源。直到2019年,人类才探测到首个具有“超高能”伽马射线辐射的天体。出人意料的是，仅基于1/2规模的LHAASO不到1年的观测数据，就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。
随着LHAASO的建成和持续不断的数据积累，可以预见这一最高能量的天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知的“超高能宇宙”，为探索宇宙极端天体物理现象提供丰富的数据。由于宇宙大爆炸产生的背景辐射无所不在，它们会吸收高于1 PeV的伽马射线。到了银河系以外，即使产生了PeV伽马射线，由于背景辐射光子的严重吸收，我们也接受不到这些PeV伽马射线。LHAASO打开银河系PeV辐射探测窗口，对于研究遥远的宇宙也具有特殊意义。
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