我国高海拔宇宙线观测站发现最高能量光子

由中国科学院高能物理研究所牵头的中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO 拉索）国际合作组17日在北京宣布，拉索在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到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。

该成果于北京时间2021年5月17日发表在《Nature》（《自然》）。

发现表明银河系内遍布“拍电子伏加速器”

高海拔宇宙线观测站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。其目前尚在建设中，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。

“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。”拉索首席科学家、中国科学院高能所研究员曹臻说，“这是位于拉索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°。”

曹臻表示，这次观测积累的数据还很有限，但所有能被拉索观测到的源，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”。“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”。

拉索国际合作组的科学协调人陈松战研究员说：“这些发现表明，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。”

同时，曹臻说，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。

取得多项科学突破，意义重大

“拍电子伏宇宙加速器”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱，即便是天空最明亮且被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云，发射出来的能量超过1拍电子伏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。

“拉索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。”高海拔宇宙线观测站建设项目副经理何会海研究员说，借助这前所未有的灵敏度，1/2规模的地面簇射粒子阵列仅用了11个月就探测到来自蟹状星云约1拍电子伏的伽马光子。

科研人员表示，拉索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。

曹臻说：“拉索发现了银河系内大量存在的拍电子伏宇宙加速源，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。”

1989年，亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1太电子伏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，已经发现超过两百多个“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阵列不到1年的观测数据，拉索就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。

“拉索的此次发现开启了‘超高能伽马天文学’时代，随着拉索的建成和持续不断的数据积累，可以预见这一探索极端天体物理现象的最高能量天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知‘超高能宇宙’”曹臻说。

另外，这次也是科研人员首次在天鹅座区域和蟹状星云观测到能量超过1拍电子伏的伽马射线光子。

天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮区域，拥有多个大质量恒星星团，大质量恒星的寿命只有几百万年，因此星团内部充满了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”。拉索在天鹅座恒星形成区首次发现拍电子伏伽马光子，使得这个本来就备受关注的区域成为研究超高能宇宙线源的最佳区域，有望成为解开“世纪之谜”的突破口。

建成后，中国有望在宇宙线研究领域实现全球领跑

中国的宇宙线实验研究经历了三个阶段，目前在建的拉索是第三代高山宇宙线实验室。

曹臻介绍说，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。对于超高能量的宇宙线，这是唯一的观测手段。

拉索的主体工程于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，边建设、边运行。2020年1月完成了1/2规模的建设并投入运行，同年12月完成3/4规模并投入运行。预计2021年底将全部建成。

何会海认为，拉索项目最大的创新之处，就是把好几种探测技术结合在一起。“此前，在宇宙线研究领域里，一般一个实验就使用一种探测技术。这种单一探测技术的弊端是只能测一种东西。在拉索实验里，我们把4种探测器放在一起，共同来测量同一个事例，测完之后把所有的变量综合起来分析，就可以做出非常精细的测量。”

此外，拉索还开发了远距时钟同步技术，确保整个阵列的每个探测器同步精度可达亚纳秒水平。同时，拉索还首次大规模使用硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测技术，大大提高了伽马射线测量的空间分辨率，使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面，达到前所未有的水平。

“目前，项目已获得国际同行高度关注和认可，俄罗斯、瑞士、波兰等国科学家希望把设备搬到这里，一些国际上代表性实验组也表达了合作及联合观测的愿望。拉索建成后，中国有望在宇宙线研究领域实现全球领跑。”曹臻说。

编辑: 焦贤颖