高海拔宇宙線觀測站這項新發現，開啟“超高能伽馬天文學”時代

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新京報快訊（記者張璐）記者今天從中科院高能物理所獲悉，國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器，並記錄到最高1.4PeV的伽馬光子（1PeV為1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”），這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系粒子加速的傳統認知，開啟“超高能伽馬天文學”的時代。這些發現將在今天（2021年5月17日）發表於《Nature》（《自然》）。

高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）航拍圖。中科院高能物理所供圖

高海拔宇宙線觀測站，探索新物理前沿

宇宙中，無數神秘的粒子正以接近光的速度飛馳，這些神秘的粒子就是宇宙線。宇宙線於1912年被發現，早期宇宙線的發現促成了粒子物理學的成型和高能人工加速器的出現。高能宇宙線起源是一個世紀未解之謎，曾被美國國家研究委員會列為21世紀11個最前沿的天文和物理問題之一。

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設施，位於四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里。高山實驗能夠充分利用大氣作為探測介質，在地面進行觀測，探測器規模可遠大於大氣層外的天基探測器。由於超高能量宇宙線數量稀少，這是唯一的觀測手段。

LHAASO是由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台廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的複合陣列。LHAASO采用這四種探測技術，可以全方位、多變量地測量宇宙線。

LHAASO的核心科學目標是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化和高能天體活動，並尋找暗物質；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線源，精確測量它們從低於1TeV（1萬億電子伏，也叫“太電子伏”）到超過1 PeV（1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”）的寬廣能量範圍內的能譜；測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線加速和傳播的規律，探索新物理前沿。

據悉，宇宙線中絕大多數都是帶電粒子，但是宇宙中處處存在著磁場，比如銀河系磁場、太陽磁場、地球磁場，帶電粒子經過磁場到達地球，方向信息消失了，不知道它來自哪裏。但有一些宇宙線是中性粒子，不受磁場影響，比如伽馬射線。科研人員只要在地球上觀測到伽馬射線，反推它原來的方向，就可以確定天體源的位置，從而研究宇宙線的起源。天體通過激波等加速方式把帶電粒子加速到高能，高能帶電粒子通過與星際介質的作用產生光子。

超靈敏探測器捕捉超高能伽馬光子

高海拔宇宙線觀測站於2017年開始建設，目前尚在建設中，這次成果是基於已經建成的1/2規模探測裝置，在2020年內11個月的觀測結果。科學家們發現了能量超過PeV（拍電子伏）的光子，來自天鵝座內非常活躍的恒星形成區和蟹狀星雲。

超高能的1PeV（1拍電子伏）是什麼概念？科學家科普稱，它相當於醫學診斷用的X射線能量(大約1萬電子伏特)的1000億倍。

能將宇宙線加速到 PeV 能量的天體也被稱為是“拍電子伏特宇宙加速器” (PeVatron)，其周圍產生的“超高能伽馬光子”信號非常弱，即便是天空最為明亮且被稱為“伽馬天文標准燭光”的蟹狀星雲，發射出來的能量超過1 PeV的光子，在一年內落在地面上一平方公里的面積上也就1到2個，而這1到2個光子還被淹沒在幾萬個宇宙線事例之中。

“宇宙線或伽馬光子進入大氣層，和空氣裏的原子核發生相互作用，產生很多個次級粒子，這些次級粒子又會與原子核作用產生更多新的次級粒子，這樣多次作用，次級粒子像花灑噴出的水一樣散開，最終像短暫的陣雨一樣灑落在地面上。這些次級粒子中有電子、正電子、光子和繆子等。因宇宙線占主要多數，簇射形態卻與伽馬光子雷同，分辨出伽馬光子就像大海撈針一樣。”中科院高能物理所研究員姚志國進一步解釋說。

LHAASO探測陣列內的1188個繆子探測器專門用於挑選伽馬光子信號，使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測器。借助這前所未有的靈敏度，1/2規模的KM2A僅用了11個月就探測到了來自蟹狀星雲約1 PeV的伽馬光子。

“我們這次探索到的高能伽馬光子，大都是一些伽馬射線源輻射出來的，這些‘源’是運動劇烈、作用活躍的天體。”據姚志國介紹，KM2A在銀河系內發現了12個具備超高能輻射的伽馬射線源，這是位於LHAASO視場內銀河系內最明亮的一批伽馬射線源。順著這些伽馬射線源，科學家探測到的伽馬光子的最高能量達到創紀錄的1.4 PeV。

中國科學院高能物理研究所今天舉行發布會，介紹高海拔宇宙線觀測站發現首批“拍電子伏加速器”和最高能量光子。新京報記者 張璐 攝

突破1：宇宙線起源“世紀之謎”有望被破解

LHAASO此次科學成果發現在宇宙線起源的研究進程上，具有里程碑意義。

這次觀測積累的數據還很有限，但所有能被LHAASO觀測到的伽馬射線源，它們都具有0.1PeV以上的伽馬輻射，也叫“超高能伽馬輻射”，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量確定超過了1 PeV。這表明，銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1 PeV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（大型強子對撞機）只能將粒子加速到0.01PeV。

銀河系內的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”，過去預言的極限就在0.1PeV
附近，從而預言的伽馬射線能譜在0.1PeV
附近有“截斷”現象。LHAASO的發現完全突破了這個“極限”，大多數源沒有截斷。這突破了當前流行的理論模型所宣稱的銀河系宇宙線加速PeV能量極限。

LHAASO發現了銀河系內大量存在的PeV宇宙加速源，它們都是超高能宇宙線源的候選者，這就向著解決宇宙線起源這一科學難題邁出了至關重要的一步。

科學家們也需要重新認識銀河系高能粒子的產生、傳播機制，探索極端天體現象及其相關的物理過程並在極端條件下檢驗基本物理規律。

突破2：開啟“超高能伽馬天文學”時代

此次成果開啟“超高能伽馬天文學”時代。1989年，亞利桑那州惠普爾天文台的實驗組成功發現了首個具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體（1TeV=1萬億電子伏），標志著“甚高能”伽馬射線天文學時代的開啟，在隨後的30年裏，已經發現超過兩百個“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”（0.1PeV以上）伽馬射線輻射的天體，當時，中日合作團通過西藏羊八井ASg實驗，發現了能量高達0.45PeV的伽馬射線。出人意料的是，去年，僅基於1/2規模的LHAASO不到1年的觀測數據，就將“超高能”伽馬射線源數量提升到了12個。

隨著LHAASO的建成和持續不斷的數據積累，可以預見，這一探索極端宇宙天體物理現象的最高能量天文學研究，將展現一個充滿新奇現象的未知“超高能宇宙”。

突破3：能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現天鵝座區域

此次成果表明，以天鵝座恒星形成區、蟹狀星雲等為代表的非熱輻射天體（不依賴於天體溫度而產生輻射的天體），即年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈沖星風雲等是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體，有助於破解宇宙線起源這個“世紀之謎”。

PeV光子的探測是伽馬天文學的一座里程碑，長期以來一直是伽馬天文發展的強大驅動力。上個世紀80年代，伽馬天文學爆發式發展一個重要的誘因就是挑戰PeV光子極限。

天鵝座恒星形成區是銀河系在北天區最亮區域，擁有多個具有大量大質量恒星的星團，大質量恒星的壽命只有百萬年的量級，因此星團內部充滿大量恒星生生死死的劇烈活動，具有複雜的強激波環境，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首次發現PeV伽馬光子，使得這個本來就備受關注的區域成為超高能宇宙線源的最佳候選者，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。

中國的宇宙線實驗研究經曆了三個階段。目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實驗室。高山實驗能夠充分利用大氣作為探測介質，在地面進行觀測，探測器規模可遠大於大氣層外的天基探測器。由於超高能量宇宙線數量稀少，這是唯一的觀測手段。

1954年，中國第一個高山宇宙線實驗室在海拔3180米的雲南東川落雪山建成。

1989年，在海拔4300米的西藏羊八井啟動了中日合作的ASg實驗，於2000年啟動了中意合作的ARGO實驗。

2009年，北京香山科學會議上，中科院高能所研究員曹臻提出了在高海拔地區建設大型複合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構想。LHAASO的主體工程於2017年開始建設，2019年4月完成1/4的規模建設並投入科學運行。

2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為國際領先的超高能伽馬探測裝置，投入長期運行，從多個方面展開宇宙線起源的探索性研究。

新京報記者張璐

編輯 樊一婧 校對 趙琳