國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到能量達(dá)1.4拍電子伏的伽馬光子（拍=千萬(wàn)億），這是人類(lèi)觀測(cè)到的最高能量光子，突破了人類(lèi)對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開(kāi)啟了 “超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。這些發(fā)現(xiàn)將于2021年5月17日發(fā)表在《Nature》（自然）。該研究工作由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國(guó)際合作組完成。

　　高海拔宇宙線觀測(cè)站尚在建設(shè)中，這次報(bào)道的成果是基于已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測(cè)裝置，在2020年內(nèi) 11個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù)?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)最高能量的光子來(lái)自天鵝座內(nèi)非?；钴S的恒星形成區(qū)，還發(fā)現(xiàn)了12個(gè)穩(wěn)定伽馬射線源，光子能量一直延伸到1 拍電子伏附近，這是位于LHAASO視場(chǎng)內(nèi)最明亮的一批銀河系伽馬射線源，測(cè)到的伽馬光子信號(hào)高于背景7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差以上，源的位置測(cè)量精度優(yōu)于0.3°。雖然這次使用的數(shù)據(jù)還很有限，但所有能被LHAASO觀測(cè)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(lèi)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(gè)“常識(shí)”，過(guò)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(huì)有“截?cái)唷爆F(xiàn)象，LHAASO的結(jié)果完全突破了這個(gè)“極限”。這些發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了 “超高能伽馬天文”觀測(cè)時(shí)代，表明年輕的大質(zhì)量星團(tuán)、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，有助于破解宇宙線起源這個(gè)“世紀(jì)之謎”。 LHAASO的結(jié)果表明，科學(xué)家們需要重新認(rèn)識(shí)銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機(jī)制，進(jìn)一步研究極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過(guò)程，并在極端條件下檢驗(yàn)基本物理規(guī)律。

背景資料：

高海拔宇宙線觀測(cè)站及其核心科學(xué)目標(biāo)

高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）是以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)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，由5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列（簡(jiǎn)稱(chēng)KM2A）、78000平方米水切倫科夫探測(cè)器、18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯(cuò)排布組成的復(fù)合陣列，采用四種探測(cè)技術(shù)全方位、多變量測(cè)量宇宙線，占地面積約1.36平方公里。

高海拔宇宙線觀測(cè)站的核心科學(xué)目標(biāo)就是探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究。廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源，精確測(cè)量它們從低于1TeV（1萬(wàn)億電子伏，也叫“太電子伏”）到超過(guò)1 PeV（1000萬(wàn)億電子伏，也叫“拍電子伏”）寬廣能量范圍內(nèi)的能譜，測(cè)量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線產(chǎn)生、加速和傳播的規(guī)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?chē)a(chǎn)生的“超高能伽馬光子”信號(hào)非常弱，即便是被稱(chēng)為“伽馬天文標(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云發(fā)射出來(lái)的能量超過(guò)1 PeV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(gè)，而這1到2個(gè)光子還被淹沒(méi)在幾萬(wàn)個(gè)通常的宇宙線事例之中。LHAASO的平方公里探測(cè)陣列內(nèi)的1188個(gè)繆子探測(cè)器專(zhuān)門(mén)用于挑選光子信號(hào)，使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)器。借助這前所未有的靈敏度，1/2規(guī)模的KM2A僅用了11個(gè)月就探測(cè)到來(lái)自蟹狀星云約1 PeV的伽馬光子。不僅如此，KM2A還在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個(gè)類(lèi)似的源，他們都具有超高能光子輻射，并且都穩(wěn)定地延伸到PeV附近，甚至還探測(cè)到迄今人類(lèi)從未見(jiàn)過(guò)的1.4 PeV的最高能量伽馬光子。由此可見(jiàn)， LHAASO此次科學(xué)成果發(fā)現(xiàn)在宇宙線起源的研究進(jìn)程上具有里程碑意義，具體來(lái)說(shuō)有以下三個(gè)方面的科學(xué)突破：

1）揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^(guò)1 PeV的宇宙加速器。在這次觀測(cè)中，LHAASO所能夠有效觀測(cè)到的伽馬射線源中（統(tǒng)計(jì)觀測(cè)中通常要求5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的超出視為有效觀測(cè)），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(qū)，說(shuō)明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量確定超過(guò)了1 PeV。觀測(cè)到的伽馬射線能譜在0.1 PeV以上沒(méi)有截?cái)?，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(dāng)前流行的理論模型。理論認(rèn)為拍電子伏特（PeV）能量的宇宙線在加速源區(qū)與周?chē)鷼怏w作用下可以產(chǎn)生0.1 PeV的伽馬射線，探測(cè)超過(guò)0.1 PeV的伽馬射線是尋找和認(rèn)證PeV宇宙線源的重要手段，而之前國(guó)際上主流探測(cè)器工作在0.1 PeV能量以下，無(wú)法確認(rèn)PeV宇宙線加速源的存在。LHAASO發(fā)現(xiàn)了銀河系內(nèi)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(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步。

2）開(kāi)啟“超高能伽馬天文學(xué)”新時(shí)代。1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺(tái)的實(shí)驗(yàn)組成功發(fā)現(xiàn)了首個(gè)具有0.1 TeV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(shí)代的開(kāi)啟，在隨后的30年里，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過(guò)兩百多個(gè)“甚高能”伽馬射線源。直到2019年人類(lèi)才探測(cè)到首個(gè)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規(guī)模的LHAASO在不到1年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個(gè)。

隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預(yù)見(jiàn)這一探索極端宇宙天體物理現(xiàn)象的最高能量天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個(gè)充滿新奇現(xiàn)象的未知“超高能宇宙”。我們知道，由于宇宙大爆炸產(chǎn)生的背景輻射無(wú)所不在，它們會(huì)吸收高于1 PeV的伽馬射線，超出了銀河系的范圍，即使它們?cè)谀抢锂a(chǎn)生出來(lái)，我們也接受不到，由此可見(jiàn)這個(gè)觀測(cè)窗口的特殊意義。

3）能量超過(guò)1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。PeV光子的探測(cè)是伽馬天文學(xué)的一座里程碑，承載著伽馬天文界的夢(mèng)想，長(zhǎng)期以來(lái)一直是伽馬天文發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。事實(shí)上，上個(gè)世紀(jì)80年代伽馬天文學(xué)爆發(fā)式發(fā)展一個(gè)重要的誘因就是挑戰(zhàn)PeV光子極限。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(gè)具有大量大質(zhì)量恒星的星團(tuán)，大質(zhì)量恒星的壽命只有百萬(wàn)年的量級(jí)，因此星團(tuán)內(nèi)部充滿大量恒星生生死死的劇烈活動(dòng)，具有復(fù)雜的強(qiáng)激波環(huán)境，是理想的宇宙線加速場(chǎng)所，被稱(chēng)為“粒子天體物理實(shí)驗(yàn)室”。

LHAASO在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)PeV伽馬光子，使得這個(gè)本來(lái)就備受關(guān)注的區(qū)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(guān)的多波段觀測(cè)、乃至于多信使天文學(xué)的巨大熱門(mén)，有望成為解開(kāi)“世紀(jì)之謎”的突破口。

歷史上對(duì)蟹狀星云大量的觀測(cè)研究，使之成為幾乎唯一具有清楚輻射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)伽馬射線源，跨越22個(gè)量級(jí)的光譜精確測(cè)量清楚地表明其電子加速器的標(biāo)志性特征，然而，LHAASO測(cè)到的超高能光譜，特別是PeV能量的光子，嚴(yán)重挑戰(zhàn)了這個(gè)高能天體物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，甚至于對(duì)更加基本的電子加速理論提出了挑戰(zhàn)。

技術(shù)創(chuàng)新

LHAASO開(kāi)發(fā)了1）遠(yuǎn)距時(shí)鐘同步技術(shù)，確保整個(gè)陣列的每個(gè)探測(cè)器同步精度可達(dá)亞納秒水平，在高速前端信號(hào)數(shù)字化、高速數(shù)據(jù)傳輸、大型計(jì)算集群協(xié)助下實(shí)現(xiàn)了2）多種觸發(fā)模式并行等尖端技術(shù)要求，首次大規(guī)模使用3）硅光電管、4）超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進(jìn)探測(cè)技術(shù)，大大提高伽馬射線測(cè)量的空間分辨率，實(shí)現(xiàn)更低的探測(cè)閾能，使人類(lèi)在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，都達(dá)到前所未有的水平，為開(kāi)展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿科學(xué)交叉研究提供了重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，是多邊國(guó)際合作共同開(kāi)展高水平研究的科學(xué)基地。

中國(guó)的宇宙線研究發(fā)展歷程

中國(guó)的宇宙線實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)歷了三個(gè)階段，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。高山實(shí)驗(yàn)是宇宙線觀測(cè)研究中能夠充分利用大氣作為探測(cè)介質(zhì)、在地面進(jìn)行觀測(cè)的手段，探測(cè)器規(guī)?？蛇h(yuǎn)大于大氣層外的天基探測(cè)器。對(duì)于超高能量的宇宙線，這是唯一的觀測(cè)手段。1954年，中國(guó)第一個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室在海拔3180米的云南東川落雪山建成。1989年，在海拔4300米的西藏羊八井啟動(dòng)了中日合作的宇宙線實(shí)驗(yàn)，于2000年啟動(dòng)中意ARGO實(shí)驗(yàn)。2009年，北京香山科學(xué)會(huì)議上，曹臻研究員提出了在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測(cè)陣列“高海拔宇宙線觀測(cè)站”的完整構(gòu)想。LHAASO的主體工程于2017年開(kāi)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(yùn)行，邊建設(shè)、邊運(yùn)行。2020年1月完成了1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運(yùn)行，同年12月完成3/4規(guī)模并投入運(yùn)行。2021年全部建成。成為國(guó)際領(lǐng)先的超高能伽馬探測(cè)裝置，長(zhǎng)期運(yùn)行，從多個(gè)方面展開(kāi)宇宙線起源的探索性研究。