LHAASO發現首批“拍電子伏加速器”和最高能量光子

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LHAASO航拍

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1.4拍電子伏伽馬光子（拍=千萬億），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認知，開啟了“超高能伽馬天文學”的新時代。這些發現將於2021年5月19日發表在《Nature》（《自然》）。該研究工作由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。

地面簇射粒子陣列

高海拔宇宙線觀測站尚在建設中，這次報道的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拍電子伏的光子，來自天鵝座內非常活躍的恒星形成區。還發現了12個穩定伽馬射線源，能量一直延伸到1 拍電子伏附近，這是位於LHAASO視場內銀河系內最明亮的一批伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高於周圍背景7倍標准偏差以上，源的位置測量精度優於0.3°。這次觀測積累的數據還很有限，但所有能被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”。這表明銀河系內遍布拍電子伏加速器，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0.1拍電子伏附近，從而預言的伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏以上有“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。這些發現開啟了“超高能伽馬天文”觀測新時代，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，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”。
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。

背景資料：

高海拔宇宙線觀測站及其核心科學目標

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，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，采用四種探測技術全方位、多變量測量宇宙線，占地面積約1.36平方公里。

高海拔宇宙線觀測站的核心科學目標就是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質的研究。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”）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，揭示宇宙線產生、加速和傳播的規律，探索新物理前沿。

拍電子伏宇宙加速器和PeV光子

“拍電子伏宇宙加速器（PeVatron）”周圍產生的“超高能伽馬光子”信號非常弱，即便是被稱為“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通常的宇宙線事例之中。LHAASO的平方公里探測陣列內的1188個繆子探測器專門用於挑選光子信號，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個月就探測到來自蟹狀星雲約1 PeV的伽馬光子。不僅如此，KM2A還在銀河系內發現了12個類似的源，他們都具有超高能光子輻射，並且都穩定地延伸到PeV附近，甚至還探測到迄今人類從未見過的1.4 PeV的最高能量伽馬光子。由此可見， 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，具體來說有以下三個方面的科學突破：

1）揭示了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。
在這次觀測中，LHAASO所能夠有效觀測到的伽馬射線源中（統計觀測中通常要求5倍標准偏差的超出視為有效觀測），幾乎所有的天體都具有輻射能譜在0.1 PeV以上的超高能區，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量確定超過了1 PeV。觀測到的伽馬射線能譜在0.1 PeV以上沒有截斷，確定了銀河系宇宙線加速源不存在PeV以下的加速極限。

這突破了當前流行的理論模型。理論認為拍電子伏特（PeV）能量的宇宙線在加速源區與周圍氣體作用下可以產生0.1 PeV的伽馬射線，探測超過0.1 PeV的伽馬射線是尋找和認證PeV宇宙線源的重要手段，而之前國際上主流探測器工作在0.1 PeV能量以下，無法確認PeV宇宙線加速源的存在。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。

2）開啟“超高能伽馬天文學”新時代
。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，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，已經發現超過兩百多個“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，僅基於1/2規模的LHAASO在不到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給我們展現一個充滿新奇現象的未知“超高能宇宙”。我們知道，由於宇宙大爆炸產生的背景輻射無所不在，它們會吸收高於1 PeV的伽馬射線，超出了銀河系的範圍，即使它們在那裏產生出來，我們也接受不到，由此可見這個觀測窗口的特殊意義。

3）能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現天鵝座區域和蟹狀星雲
。PeV光子的探測是伽馬天文學的一座里程碑，承載著伽馬天文界的夢想，長期以來一直是伽馬天文發展的強大驅動力。事實上，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，也就自然是LHAASO以及相關的多波段觀測、乃至於多信使天文學的巨大熱門，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。

歷史上對蟹狀星雲大量的觀測研究，使之成為幾乎唯一具有清楚輻射機制的標准伽馬射線源，跨越22個量級的光譜精確測量清楚地表明其電子加速器的標志性特征，然而，LHAASO測到的超高能光譜，特別是PeV能量的光子，嚴重挑戰了這個高能天體物理的“標准模型”，甚至於對更加基本的電子加速理論提出了挑戰。

技術創新

LHAASO開發了1）遠距時鐘同步
技術，確保整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水平，在高速前端信號數字化、高速數據傳輸、大型計算集群協助下實現了2）多種觸發模式並行
等尖端技術要求，首次大規模使用3）矽光電管、4）超大光敏面積微通道板光電倍增管
等先進探測技術，大大提高伽馬射線測量的空間分辨率，實現更低的探測閾能，使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，都達到前所未有的水平，為開展大氣、環境、空間天氣等前沿科學交叉研究提供了重要實驗平台，是多邊國際合作共同開展高水平研究的科學基地。

中國的宇宙線研究發展曆程

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。高山實驗是宇宙線觀測研究中能夠充分利用大氣作為探測介質、在地面進行觀測的手段，探測器規模可遠大於大氣層外的天基探測器。對於超高能量的宇宙線，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宇宙線實驗，於2000年啟動中意ARGO實驗。2009年，北京香山科學會議上，曹臻研究員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，邊建設、邊運行。2020年1月完成了1/2規模的建設並投入運行，同年12月完成3/4規模並投入運行。2021年全部建成。成為國際領先的超高能伽馬探測裝置，長期運行，從多個方面展開宇宙線起源的探索性研究。