由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的中國高海拔宇宙線觀測站（LHAASO 拉索）國際合作組17日在北京宣布，拉索在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到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)”的時代。
該成果于北京時間2021年5月17日發(fā)表在《Nature》（《自然》）。
發(fā)現(xiàn)表明銀河系內(nèi)遍布‘拍電子伏加速器’
高海拔宇宙線觀測站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。其目前尚在建設(shè)中，這次報道的成果是基于已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測裝置，在2020年內(nèi) 11個月的觀測數(shù)據(jù)。
“發(fā)現(xiàn)最高能量的光子來自天鵝座內(nèi)非常活躍的恒星形成區(qū)，還發(fā)現(xiàn)了12個穩(wěn)定伽馬射線源，光子能量一直延伸到1 拍電子伏附近。”拉索首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能所研究員曹臻說，“這是位于拉索視場內(nèi)最明亮的一批銀河系伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高于背景7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差以上，源的位置測量精度優(yōu)于0.3°。”
曹臻表示，這次觀測積累的數(shù)據(jù)還很有限，但所有能被拉索觀測到的源，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(nèi)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(nèi)的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”，過去預(yù)言的極限就在拍電子伏附近，從而預(yù)言的伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近會有“截斷”現(xiàn)象，LHAASO的結(jié)果完全突破了這個“極限”。
拉索國際合作組的科學(xué)協(xié)調(diào)人陳松戰(zhàn)研究員說：“這些發(fā)現(xiàn)表明，年輕的大質(zhì)量星團、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。”
同時，曹臻說，科學(xué)家們也需要重新認(rèn)識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，探索極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過程并在極端條件下檢驗基本物理規(guī)律。
取得多項科學(xué)突破，意義重大
“拍電子伏宇宙加速器”周圍產(chǎn)生的“超高能伽馬光子”信號非常弱，即便是天空最明亮且被稱為“伽馬天文標(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云，發(fā)射出來的能量超過1拍電子伏的光子在一年內(nèi)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。
“拉索的平方公里探測陣列內(nèi)的1188個繆子探測器專門用于排除非光子信號，使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測器。”高海拔宇宙線觀測站建設(shè)項目副經(jīng)理何會海研究員說，借助這前所未有的靈敏度，1/2規(guī)模的地面簇射粒子陣列僅用了11個月就探測到來自蟹狀星云約1拍電子伏的伽馬光子。
科研人員表示，拉索此次科學(xué)成果發(fā)現(xiàn)在宇宙線起源的研究進程上具有里程碑意義。
曹臻說：“拉索發(fā)現(xiàn)了銀河系內(nèi)大量存在的拍電子伏宇宙加速源，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(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步。”
1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺成功發(fā)現(xiàn)了首個具有0.1太電子伏以上伽馬輻射的天體，標(biāo)志著“甚高能”伽馬射線天文學(xué)時代的開啟。在隨后的30年里，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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，僅基于1/2陣列不到1年的觀測數(shù)據(jù)，拉索就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個。
“拉索的此次發(fā)現(xiàn)開啟了‘超高能伽馬天文學(xué)’時代，隨著拉索的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預(yù)見這一探索極端天體物理現(xiàn)象的最高能量天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知‘超高能宇宙’”曹臻說。
另外，這次也是科研人員首次在天鵝座區(qū)域和蟹狀星云觀測到能量超過1拍電子伏的伽馬射線光子。
天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮區(qū)域，擁有多個大質(zhì)量恒星星團，大質(zhì)量恒星的壽命只有幾百萬年，因此星團內(nèi)部充滿了恒星生生死死的劇烈活動，具有復(fù)雜的強激波環(huán)境，是理想的宇宙線加速場所，被稱為“粒子天體物理實驗室”。拉索在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)拍電子伏伽馬光子，使得這個本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為研究超高能宇宙線源的最佳區(qū)域，有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。
建成后，中國有望在宇宙線研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球領(lǐng)跑
中國的宇宙線實驗研究經(jīng)歷了三個階段，目前在建的拉索是第三代高山宇宙線實驗室。
曹臻介紹說，高山實驗?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y介質(zhì)，在地面進行觀測，探測器規(guī)模可遠(yuǎn)大于大氣層外的天基探測器。對于超高能量的宇宙線，這是唯一的觀測手段。
拉索的主體工程于2017年開始建設(shè)，2019年4月完成1/4的規(guī)模建設(shè)并投入科學(xué)運行，邊建設(shè)、邊運行。2020年1月完成了1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運行，同年12月完成3/4規(guī)模并投入運行。預(yù)計2021年底將全部建成。
何會海認(rèn)為，拉索項目最大的創(chuàng)新之處，就是把好幾種探測技術(shù)結(jié)合在一起。“此前，在宇宙線研究領(lǐng)域里，一般一個實驗就使用一種探測技術(shù)。這種單一探測技術(shù)的弊端是只能測一種東西。在拉索實驗里，我們把4種探測器放在一起，共同來測量同一個事例，測完之后把所有的變量綜合起來分析，就可以做出非常精細(xì)的測量。”
此外，拉索還開發(fā)了遠(yuǎn)距時鐘同步技術(shù)，確保整個陣列的每個探測器同步精度可達(dá)亞納秒水平。同時，拉索還首次大規(guī)模使用硅光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進探測技術(shù)，大大提高了伽馬射線測量的空間分辨率，使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，達(dá)到前所未有的水平。
“目前，項目已獲得國際同行高度關(guān)注和認(rèn)可，俄羅斯、瑞士、波蘭等國科學(xué)家希望把設(shè)備搬到這里，一些國際上代表性實驗組也表達(dá)了合作及聯(lián)合觀測的愿望。拉索建成后，中國有望在宇宙線研究領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)全球領(lǐng)跑。”曹臻說。
原標(biāo)題：我國高海拔宇宙線觀測站發(fā)現(xiàn)最高能量光子
