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天文学|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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新京报快讯（采访人员张璐）采访人员今天从中科院高能物理所获悉 ， 国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器 ， 并记录到最高1.4PeV的伽马光子（1PeV为1000万亿电子伏 ， 也叫“拍电子伏”） ， 这是人类观测到的最高能量光子 ， 改变了人类对银河系粒子加速的传统认知 ， 开启“超高能伽马天文学”的时代 。 这些发现将在今天（2021年5月17日）发表于《Nature》（《自然》） 。

天文学|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（LHAASO）航拍图 。 中科院高能物理所供图
高海拔宇宙线观测站 ， 探索新物理前沿
宇宙中 ， 无数神秘的粒子正以接近光的速度飞驰 ， 这些神秘的粒子就是宇宙线 。 宇宙线于1912年被发现 ， 早期宇宙线的发现促成了粒子物理学的成型和高能人工加速器的出现 。 高能宇宙线起源是一个世纪未解之谜 ， 曾被美国国家研究委员会列为21世纪11个最前沿的天文和物理问题之一 。
高海拔宇宙线观测站（LHAASO） ， 是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施 ， 位于四川省稻城县海拔4410米的海子山 ， 占地面积约1.36平方公里 。 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 。
LHAASO是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列（简称KM2A）、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列 。 LHAASO采用这四种探测技术 ， 可以全方位、多变量地测量宇宙线 。
LHAASO的核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动 ， 并寻找暗物质；广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源 ， 精确测量它们从低于1TeV（1万亿电子伏 ， 也叫“太电子伏”）到超过1 PeV（1000万亿电子伏 ， 也叫“拍电子伏”）的宽广能量范围内的能谱；测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱 ， 揭示宇宙线加速和传播的规律 ， 探索新物理前沿 。
据悉 ， 宇宙线中绝大多数都是带电粒子 ， 但是宇宙中处处存在着磁场 ， 比如银河系磁场、太阳磁场、地球磁场 ， 带电粒子经过磁场到达地球 ， 方向信息消失了 ， 不知道它来自哪里 。 但有一些宇宙线是中性粒子 ， 不受磁场影响 ， 比如伽马射线 。 科研人员只要在地球上观测到伽马射线 ， 反推它原来的方向 ， 就可以确定天体源的位置 ， 从而研究宇宙线的起源 。 天体通过激波等加速方式把带电粒子加速到高能 ， 高能带电粒子通过与星际介质的作用产生光子 。
超灵敏探测器捕捉超高能伽马光子
高海拔宇宙线观测站于2017年开始建设 ， 目前尚在建设中 ， 这次成果是基于已经建成的1/2规模探测装置 ， 在2020年内11个月的观测结果 。 科学家们发现了能量超过PeV（拍电子伏）的光子 ， 来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区和蟹状星云 。
超高能的1PeV（1拍电子伏）是什么概念？科学家科普称 ， 它相当于医学诊断用的X射线能量(大约1万电子伏特)的1000亿倍 。
能将宇宙线加速到PeV 能量的天体也被称为是“拍电子伏特宇宙加速器” (PeVatron) ， 其周围产生的“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 ， 在一年内落在地面上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宇宙线事例之中 。
“宇宙线或伽马光子进入大气层 ， 和空气里的原子核发生相互作用 ， 产生很多个次级粒子 ， 这些次级粒子又会与原子核作用产生更多新的次级粒子 ， 这样多次作用 ， 次级粒子像花洒喷出的水一样散开 ， 最终像短暂的阵雨一样洒落在地面上 。 这些次级粒子中有电子、正电子、光子和缪子等 。 因宇宙线占主要多数 ， 簇射形态却与伽马光子雷同 ， 分辨出伽马光子就像大海捞针一样 。 ”中科院高能物理所研究员姚志国进一步解释说 。
LHAASO探测阵列内的1188个缪子探测器专门用于挑选伽马光子信号 ， 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个月就探测到了来自蟹状星云约1 PeV的伽马光子 。
“我们这次探索到的高能伽马光子 ， 大都是一些伽马射线源辐射出来的 ， 这些‘源’是运动剧烈、作用活跃的天体 。 ”据姚志国介绍 ， KM2A在银河系内发现了12个具备超高能辐射的伽马射线源 ， 这是位于LHAASO视场内银河系内最明亮的一批伽马射线源 。 顺着这些伽马射线源 ， 科学家探测到的伽马光子的最高能量达到创纪录的1.4 PeV 。

天文学|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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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
【天文学|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】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 。
新京报采访人员张璐
编辑 樊一婧 校对 赵琳

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