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伽马射线 高海拔宇宙线观测站这项新发现，开启“超高能伽马天文学”时代( 二 )


伽马射线 高海拔宇宙线观测站这项新发现，开启“超高能伽马天文学”时代
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高海拔宇宙线观测站这项新发现，开启“超高能伽马天文学”时代
中国科学院高能物理研究所今天举行发布会，介绍高海拔宇宙线观测站发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子。新京报采访人员 张璐 摄
突破1：宇宙线起源“世纪之谜”有望被破解
LHAASO此次科学成果发现在宇宙线起源的研究进程上，具有里程碑意义。
这次观测积累的数据还很有限，但所有能被LHAASO观测到的伽马射线源，它们都具有0.1PeV以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”，说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量确定超过了1 PeV。这表明，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。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（大型强子对撞机）只能将粒子加速到0.01PeV。
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0.1PeV附近，从而预言的伽马射线能谱在0.1PeV附近有“截断”现象。LHAASO的发现完全突破了这个“极限”，大多数源没有截断。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。
LHAASO发现了银河系内大量存在的PeV宇宙加速源，它们都是超高能宇宙线源的候选者，这就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。
科学家们也需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，探索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。
突破2：开启“超高能伽马天文学”时代
此次成果开启“超高能伽马天文学”时代。1989年，亚利桑那州惠普尔天文台的实验组成功发现了首个具有0.1 TeV以上伽马辐射的天体（1TeV=1万亿电子伏），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”（0.1PeV以上）伽马射线辐射的天体，当时，中日合作团通过西藏羊八井ASg实验，发现了能量高达0.45PeV的伽马射线。出人意料的是，去年，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，这一探索极端宇宙天体物理现象的最高能量天文学研究，将展现一个充满新奇现象的未知“超高能宇宙”。
突破3：能量超过1 PeV的伽马射线光子首现天鹅座区域
此次成果表明，以天鹅座恒星形成区、蟹状星云等为代表的非热辐射天体（不依赖于天体温度而产生辐射的天体），即年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体，有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。
PeV光子的探测是伽马天文学的一座里程碑，长期以来一直是伽马天文发展的强大驱动力。上个世纪80年代，伽马天文学爆发式发展一个重要的诱因就是挑战PeV光子极限。
天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮区域，拥有多个具有大量大质量恒星的星团，大质量恒星的寿命只有百万年的量级，因此星团内部充满大量恒星生生死死的剧烈活动，具有复杂的强激波环境，是理想的宇宙线加速场所，被称为“粒子天体物理实验室”。
LHAASO在天鹅座恒星形成区首次发现PeV伽马光子，使得这个本来就备受关注的区域成为超高能宇宙线源的最佳候选者，有望成为解开“世纪之谜”的突破口。
相关链接：中国宇宙线研究历经三个阶段
中国的宇宙线实验研究经历了三个阶段。目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙线实验室。高山实验能够充分利用大气作为探测介质，在地面进行观测，探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。由于超高能量宇宙线数量稀少，这是唯一的观测手段。
1954年，中国第一个高山宇宙线实验室在海拔3180米的云南东川落雪山建成。
1989年，在海拔4300米的西藏羊八井启动了中日合作的ASg实验，于2000年启动了中意合作的ARGO实验。
2009年，北京香山科学会议上，中科院高能所研究员曹臻提出了在高海拔地区建设大型复合探测阵列“高海拔宇宙线观测站”的完整构想。LHAASO的主体工程于2017年开始建设，2019年4月完成1/4的规模建设并投入科学运行。
2021年，LHAASO阵列将全部建成，成为国际领先的超高能伽马探测装置，投入长期运行，从多个方面展开宇宙线起源的探索性研究
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