記者從中國科學(xué)院高能物理研究所獲悉，位于四川稻城縣的國家重大科技基礎(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1400萬億電子伏特(1.4PeV)的伽馬光子，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(rèn)知，開啟 “超高能伽馬天文學(xué)”的時代。這些發(fā)現(xiàn)于17日發(fā)表在《自然》(《Nature》)雜志上。

據(jù)了解，高海拔宇宙線觀測站尚在建設(shè)中，此次報道的成果是基于已經(jīng)建成1/2規(guī)模的探測裝置、2020年11個月的觀測數(shù)據(jù)。科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了能量1400萬億電子伏特的光子，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，能量一直延伸到1000萬億電子伏特左右，這是LHAASO發(fā)現(xiàn)的銀河系內(nèi)最明亮的一批伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高于周圍背景7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差以上，源的位置測量精度優(yōu)于0.3度。

“這次觀測積累的數(shù)據(jù)還很有限，但所有能被LHAASO觀測到的源，它們都具有100萬億電子伏特以上的伽馬輻射，也叫‘超高能伽馬輻射’。”中國科學(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員、國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施LHAASO項目經(jīng)理兼首席科學(xué)家曹臻表示。這表明銀河系內(nèi)遍布拍電子伏特加速器，而人類在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC)只能將粒子加速到10萬億電子伏特左右。

走近海拔4410米的觀測站

中國力量 這樣仰望星空

據(jù)了解，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，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(yuǎn)鏡交錯排布組成復(fù)合陣列，采用四種探測技術(shù)全方位、多變量測量宇宙線。

LHAASO項目經(jīng)理兼首席科學(xué)家曹臻說，高海拔宇宙線觀測站的核心科學(xué)目標(biāo)就是探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究。廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源，精確測量它們的能譜，揭示宇宙線產(chǎn)生、加速和傳播的規(guī)律，探索新物理前沿。

據(jù)了解，目前在建的LHAASO是我國第三代高山宇宙線實驗。高山實驗是宇宙線觀測研究中能夠充分利用大氣作為探測介質(zhì)、在地面進行觀測的重要手段。

西南交大20多人參與LHAASO項目

成都力量 填補一項國際空白

17日，成都商報-紅星新聞記者了解到，西南交通大學(xué)有20多名師生參與LHAASO國際合作組，是除高能物理研究所外參與人數(shù)最多的單位。那么，在LHAASO項目中，西南交大擔(dān)任著什么樣的角色呢?

據(jù)悉，西南交大從1989年開始就參與西藏羊八井宇宙線觀測實驗，是LHAASO項目建設(shè)的核心單位之一。其承擔(dān)了WFCTA激光標(biāo)定和大氣監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)任務(wù)，完成了3套激光標(biāo)定系統(tǒng)的遠(yuǎn)程控制運行設(shè)計，編寫并不斷完善值班人員遠(yuǎn)程運行該系統(tǒng)手冊。該系統(tǒng)于2020年10月份成功運行，實現(xiàn)了對LHAASO-WFCTA的絕對標(biāo)定和大氣監(jiān)測，填補了國際上在海拔4400米運用激光光束標(biāo)定宇宙線探測器的空白。

值得一提的是，在原初粒子誘發(fā)的簇射粒子中，謬子探測器和電磁粒子探測器作為本次LHAASO項目重要成果的記錄者，西南交大參與了其中的設(shè)計研制、安裝運行、性能測試等工作;在宇宙線的物理分析方面，西南交大參與了利用KM2A進行宇宙線的輕成份譜、重核能譜的研究工作。

“信使”帶來了什么?

宇宙線，是地球的天外來客，被稱作“銀河隕石”，是傳遞宇宙大事件的“信使”。中國科學(xué)院高能物理研究所研究員、LHAASO項目經(jīng)理兼首席科學(xué)家曹臻，正是宇宙線觀測領(lǐng)域的研究者。他表示，LHAASO此次科學(xué)發(fā)現(xiàn)在宇宙線起源的研究進程上具有里程碑意義，其科學(xué)突破在于幾個方面——

顛覆認(rèn)知

宇宙線加速器

“能量極限”被突破

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100萬億電子伏特左右，從而預(yù)言的伽馬射線能譜在100萬億電子伏特以上有“截斷”現(xiàn)象。LHAASO的發(fā)現(xiàn)完全突破了這個“極限”，大多數(shù)源沒有截斷。這些發(fā)現(xiàn)開啟 “超高能伽馬天文”觀測時代，表明以天鵝座恒星形成區(qū)、蟹狀星云等為代表的非熱輻射天體，即年輕的大質(zhì)量星團、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體，有助于破解宇宙線起源這個“世紀(jì)之謎”。 科學(xué)家們也需要重新認(rèn)識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，探索極端天體現(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。

載入史冊

“伽馬天文學(xué)”迎來超高能時代

同時，此次研究成果開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代。曹臻表示，1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺的實驗組成功發(fā)現(xiàn)了首個具有100萬億電子伏特以上伽馬輻射的天體，標(biāo)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)超過兩百個“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)模的LHAASO不到1年的觀測數(shù)據(jù)，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)見這一探索極端宇宙天體物理現(xiàn)象的最高能量天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知‘超高能宇宙’。”曹臻告訴記者。

世紀(jì)突破

天鵝座恒星形成區(qū)或是宇宙線起源

此外，此次研究成果也是能量超過1000萬億電子伏特的伽馬射線光子首現(xiàn)于天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮區(qū)域，擁有多個具有大量大質(zhì)量恒星的星團，大質(zhì)量恒星的壽命只有百萬年的量級，因此星團內(nèi)部充滿大量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)1400萬億電子伏特的伽馬光子，使得這個本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為超高能宇宙線源的最佳候選者，也就自然是LHAASO以及相關(guān)的多波段觀測、乃至于多信使天文學(xué)的巨大熱門，有望成為解開‘世紀(jì)之謎’的突破口。”曹臻表示。

關(guān)鍵詞： 能量極限 突破 伽馬天文學(xué) 超高能時代