意义非凡 中国宇宙线观测站发现最高能量光子

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，其起源是一个前沿科学问题。以往观测尚未发现银河系内有将宇宙线加速到1PeV以上天体。2021年4月初，中科院高能物理研究所曾公布，西藏ASγ实验观测到最高能量达957万亿电子伏特超高能伽马射线，非常接近1PeV。相比之下，人类在地球上建造的最大加速器只能将粒子加速到0.01PeV。（新华社）

5月17日，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”发布最新成果：在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到能量达1.4拍电子伏(PeV)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”时代。

这次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置不到一年的观测数据，把人类2019年才首次探测到“超高能”伽马射线源数量提升到了12个，突破了过去对银河系内的宇宙线加速器极限就在拍电子伏附近的预言，开启了“超高能伽马天文”观测时代，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，有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。LHAASO的结果表明，科学家们需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，进一步研究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。

该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成，这些发现将于北京时间2021年5月17日23时发表在《自然》（Nature）。

高海拔宇宙线观测站位于中国四川省稻城县海拔4,410米的海子山，目前仍在建设中。图为高海拔宇宙线观测站全景。（新华社）

由于“拍电子伏宇宙加速器（PeVatron）”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。LHAASO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。借助这前所未有的灵敏度，1/2规模的LHAASO探测装置仅用了11个月就探测到并证认了来自蟹状星云的约1 PeV的伽马光子。不仅如此，LHAASO探测装置还在银河系内发现了12个类似的源，他们都具有超高能光子辐射，其能谱稳定地延伸到PeV附近，其中探测到的伽马光子的最高能量达到创纪录的1.4 PeV。

“这表明银河系内大量存在可将宇宙线加速到1PeV的‘拍电子伏特宇宙线加速器’，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重要一步。”中科院高能物理研究所研究员曹臻说。

由此可见，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：

1） 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。

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。

此次LHAASO的观测结果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。

2）开启“超高能伽马天文学”时代。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。

3）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。此次发现中，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，研究意义重大。

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。

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，目前仍处在建设中。计划于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。

在此次的成果发现中，LHAASO开发了远距时钟同步技术、多种触发模式并行等尖端技术、硅光电管的首次大规模使用、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，达到了更低的探测阈能，使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面，都达到前所未有的水平。LHAASO也为开展大气、环境、空间天气等前沿交叉科学研究提供了重要实验平台，并成为多边国际合作共同开展高水平研究的科学基地。