17日上午，中國科學(xué)院高能物理所與施普林格·自然集團(tuán)(Springer Nature)舉辦聯(lián)合發(fā)布會，公布了一項(xiàng)重大成果。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，并記錄到能量達(dá)1.4拍電子伏的伽馬光子(拍=千萬億)，這是人類觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”的時(shí)代。

該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成，成果已于17日發(fā)表在《Nature》(《自然》)上。記者了解到，南京大學(xué)承擔(dān)了論文理論分析與物理模型計(jì)算方面的重要任務(wù)，是這篇論文的通訊單位之一。

宇宙線無時(shí)無刻不在“轟擊”地球

什么是宇宙線?此次突破對于宇宙探索有什么重要意義?南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院研究員柳若愚說，宇宙線是來自外太空的高能帶電粒子，實(shí)際上它們無時(shí)無刻不在“轟擊”著地球，但絕大部分都被地磁場以及大氣層所屏蔽。“宇宙線的能量密度占了銀河系星際介質(zhì)總能量密度的1/3，對星系的演化、恒星與行星的形成都有重要的影響，甚至對地球上生命的演化進(jìn)程也可能有作用。此外，有一部分宇宙線的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了地球上最大粒子加速器能夠達(dá)到的最高能量。它們起源于一些極端的物理過程或天文現(xiàn)象，通過研究它們以及它們的加速源，我們可以檢驗(yàn)已知的物理規(guī)律在極端條件下是否還成立，并且有機(jī)會探索宇宙中新的物理規(guī)律。” 柳若愚表示，宇宙線不僅是宇宙的重要組成部分，也是我們認(rèn)識、理解宇宙的一種重要信息載體。

人類從遠(yuǎn)古時(shí)代就開始觀測宇宙了，那時(shí)用的就是我們的眼睛，“我們的眼睛接收的是可見光，如果光子能量用電子伏為單位，可見光光子的能量范圍大概是在1到4電子伏之間，這是一個(gè)很窄的能量范圍。” 柳若愚說，隨著科技的發(fā)展，人類發(fā)明了各種望遠(yuǎn)鏡和探測器，能夠探測在其它能量范圍的光子。此次LHAASO探測到最高光子能量為一千四百萬億電子伏，刷新了人類探測到的最高能量光子的紀(jì)錄。

如何“捕捉”最高能量的光子

最高能量的光子是如何“捕捉”到的?必須歸功于尚未建成的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)，它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，是由5195個(gè)電磁粒子探測器和1188個(gè)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(cuò)排布組成的復(fù)合陣列。LHAASO采用這四種探測技術(shù)，可以全方位、多變量地測量宇宙線。

“即便是只有1/2的規(guī)模，LHAASO也是目前世界上最大的超高能伽馬光子探測器，接收面積達(dá)到約43萬平方米。” 柳若愚介紹，高海拔宇宙線觀測站尚在建設(shè)中，但作為由很多探測器組成的大陣列，不用等整個(gè)陣列完成，安裝好的探測器可以先進(jìn)行觀測，這次報(bào)道的成果是基于已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測裝置，在去年11個(gè)月的觀測數(shù)據(jù)。此外LHAASO中配備了很多繆子探測器，能夠從海量的背景噪音中準(zhǔn)確挑出光子信號，這些是LHAASO強(qiáng)大性能的原因。

“關(guān)于LHAASO的工作方式，簡單來說，當(dāng)高能光子進(jìn)入大氣層后，會被大氣吸收并產(chǎn)生出大量的次級粒子，通過測量到達(dá)地面的次級粒子，我們可以還原出初始光子的能量與到達(dá)方向。”柳若愚說。

開啟“超高能伽馬天文”觀測時(shí)代

雖然這次使用的數(shù)據(jù)還很有限，但所有被LHAASO觀測到的源，它們都具有0.1拍電子伏以上的伽馬輻射，也叫“超高能伽馬輻射”。這說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量必定接近或超過1拍電子伏，也意味著銀河系內(nèi)普遍存在著可將粒子能量加速到1拍電子伏的宇宙加速器。而人類在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的LHC)只能將粒子加速到0.01拍電子伏。

銀河系內(nèi)的宇宙線加速器存在能量極限是個(gè)“常識”，過去預(yù)言的極限就在1拍電子伏附近，從而預(yù)言的伽馬射線能譜在0.1拍電子伏附近會有“截?cái)?rdquo;現(xiàn)象，LHAASO的結(jié)果完全突破了這個(gè)“極限”。

這次最高能量的光子首次出現(xiàn)在天鵝座區(qū)域和蟹狀星云，蟹狀星云是天文學(xué)與天體物理學(xué)中一個(gè)非常重要的天體，誕生于公元1054年的一次超新星爆發(fā)。“此前科學(xué)家們也在不同能量段觀測過蟹狀星云，做了很多研究。這次LHAASO發(fā)現(xiàn)了它能輻射一千萬億電子伏的光子。蟹狀星云中的伽馬光子主要是由電子輻射的，這說明蟹狀星云之中發(fā)生著非常極端的物理過程，在以逼近理論極限的加速效率把電子加速到至少一千萬億電子伏。這一點(diǎn)是很驚人的。”柳若愚表示，這些發(fā)現(xiàn)開啟了 “超高能伽馬天文”觀測時(shí)代，表明年輕的大質(zhì)量星團(tuán)、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系內(nèi)加速超高能宇宙線的最佳候選天體，有助于破解宇宙線起源這個(gè)“世紀(jì)之謎”。(記者 楊頻萍)

關(guān)鍵詞： 銀河系 超高能 宇宙加速器 最高能量光子