川观深度 | 改变人类对银河系粒子加速传统认知的发现，到底是什么？

川观新闻记者 徐莉莎

广袤宇宙中除了繁星，还隐藏一个秘密——宇宙线。100多年前，奥地利物理学家维克多·赫斯意外发现了宇宙线，这个学科至今已经产生了5个诺贝尔奖。宇宙线起源成为“世纪之谜”。

位于四川稻城的一个国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站的最新发现，又将这个学科往前推动了一大步。

5月17日，中国科学院高能物理研究所与Springer Nature联合发布了这一重大发现——

LHAASO在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到能量达到1.4拍电子伏的伽马光子（拍=千万亿）。

专家介绍，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，开启了 “超高能伽马天文学”的时代。

发布会现场

要理解这一进展，我们首先从宇宙线讲起。

宇宙线是来自宇宙的“天外来客”，是高能粒子流的总称。1912年，奥地利物理学家维克多·赫斯意外发现了宇宙线。它们主要由质子和多种元素的原子核组成，并包含少量电子和光子，时刻造访着我们的星球。

这些产生于宇宙深处的高能“子弹”，把人类对物质世界的认识深入到粒子层面，并把无限小的微观世界与无限大的宇观世界联系起来。研究宇宙线及其起源，是人类探索宇宙的重要途径。

高海拔宇宙线观测站观测示意图（中科院高能物理研究所供图）

它们的一个重要特点，就是能量非常高。高能宇宙线的能量跨度为10^9-10^20电子伏特，比人类在地球上造出的加速器产生的能量高得多。

人类现在能将粒子加速到最高能量的加速器，是位于日内瓦的大型强子对撞机（LHC），它的周长达到27千米。我们这次探测到的最高能量光子是LHC加速能量的100倍。

宇宙线是如何产生的？具体哪个地方发出的？为何能加速到这么高的能量？我们在稻城布下这样的“天罗地网”，来捕捉这些“天外来客”。

观测基地航拍图

作为来自外太空的唯一物质样品，它们是宇宙的信使，我们通过研究其携带的信息，反推它来的方向，找到宇宙加速器所在的位置，进一步了解宇宙起源、天体活动、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。

而宇宙线能量越高则越稀少，需要建设越大规模的探测器来探测。面积越大，接收到高能光子的概率就越大，装置的灵敏度就越高。因此，我们在稻城建设了一个200个足球场大小的阵列，在超高能能区，它的灵敏度比现在运行的探测器灵敏度超过几十倍。

地面簇射粒子阵列

宇宙线的研究非常困难。宇宙线是带电粒子，碰到宇宙中无处不在的磁场就会偏转。科学家尽量选择光子和中微子作为研究对象，因为这两种粒子不带电，是沿直线传播的，比较容易循着它的“来时路”，找到源头。LHAASO的平方公里探测阵列内的1188个缪子探测器就专门用于排除非光子信号。

根据LHAASO项目首席科学家、中科院高能所研究院曹臻公布的成果，LHAASO项目在银河系内发现了首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子。

发布会现场

这里，我们把成果分为“宇宙线”和“源”（也就是产生它们的超高能宇宙加速器）来理解。

首先，作为目前世界上灵敏度最高的超高能伽马射线探测器，LHAASO不辱使命，探测到1.4拍电子伏特（ PeV）的伽马光子（拍=千万亿），这是人类观测到的最高能量光子。

前面我们说了，宇宙线能量越高，信号强度越弱。即便是亮度最高且被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云，其发射出来的能量超过1 PeV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。

据曹臻介绍，原来测到的最高能量的光子是0.5PeV，现在我们把结果一下推到了1.4PeV。这不是简单增加了3倍，最重要的是这些光子按照现有理论是不存在的。

LHAASO仅用了11个月就探测到并确认来自蟹状星云的约1 PeV的伽马光子。可以说进一步验证了其高灵敏度。

发布会现场

我们说过，捕捉到宇宙线不是目的，要进一步反推它的源头。科学家们发现了能量超过拍电子伏的光子，来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区。

此外，科学家们还发现了12个稳定伽马射线源，能量一直延伸到1拍电子伏附近。这是位于LHAASO视场内银河系内最明亮的一批伽马射线源，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°。

LHAASO项目首席科学家、中科院高能所研究院曹臻介绍，这次观测积累的数据还很有限，但所有能被LHAASO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。

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1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。

曹臻表示，这些发现开启了 “超高能伽马天文”观测时代，表明以年轻的大质量星团、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。

这些发现有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。同时，曹臻表示，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。

曹臻告诉川观新闻记者，LHAASO的此次科学成果在宇宙线起源的研究进程中具有里程碑意义。具体来说有以下三个方面的科学突破：

首先，揭示了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。

在这次观测中，LHAASO所能够有效观测到的伽马射线源中（观测中超过5倍标准偏差的超出视为有效观测），几乎所有的辐射能谱都稳定延伸到几百TeV且没有明显截断，说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量超过1 PeV。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。同时，LHAASO发现银河系内大量存在PeV宇宙加速源，也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。

其次，是开启了“超高能伽马天文学”时代。

1989年，亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1 TeV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，可以预见这一最高能量的天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知的“超高能宇宙”，为探索宇宙极端天体物理现象提供丰富的数据。由于宇宙大爆炸产生的背景辐射无所不在，它们会吸收高于1 PeV的伽马射线。到了银河系以外，即使产生了PeV伽马射线，由于背景辐射光子的严重吸收，我们也接受不到这些PeV伽马射线。LHAASO打开银河系PeV辐射探测窗口，对于研究遥远的宇宙也具有特殊意义。

此外，能量超过1 PeV的伽马射线光子首现天鹅座区域和蟹状星云。PeV光子的探测是伽马天文学的一座里程碑，承载着伽马天文界的梦想，长期以来一直是伽马天文发展的强大驱动力。事实上，上个世纪80年代伽马天文学爆发式发展的一个重要动机就是挑战PeV光子极限。天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮的区域，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”。

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寻找超高能宇宙线源的最佳天区。这个区域将是LHAASO以及相关的多波段、多信使天文观测设备关注的焦点，有望成为解开“世纪之谜”的突破口。

历史上对蟹状星云大量的观测研究，使之成为几乎唯一具有清楚辐射机制的标准伽马射线源，跨越22个量级的光谱精确测量清楚地表明其电子加速器的标志性特征。然而，LHAASO测到的超高能光谱，特别是PeV能量的光子，严重挑战了这个高能天体物理的“标准模型”，甚至于对更加基本的电子加速理论提出了挑战。

同时，这也一定程度上改变了我们对银河系的认知。人们开始了解银河系时，认为银河系似乎很“规矩”，星体分布均匀，似乎没有任何“混乱”发生。但随着认知加深，人类发现我们身处的太阳系，只是在银河系的边缘部分，而在银河系的深处，天体活跃度剧烈。“不然也不会产生像我们如今发现的，这么高能量的粒子。”

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