國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站（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)”時代。這些發(fā)現(xiàn)將于2021年5月17日發(fā)表在《Nature》（自然）。該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。

　　高海拔宇宙線觀測站尚在建設(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)。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)最高能量的光子來自天鵝座內(nèi)非?；钴S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，這是位于LHAASO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°。雖然這次使用的數(shù)據(jù)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(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”。這些發(fā)現(xiàn)開啟了 “超高能伽馬天文”觀測時代，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，有助于破解宇宙線起源這個“世紀(jì)之謎”。 LHAASO的結(jié)果表明，科學(xué)家們需要重新認(rèn)識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，進一步研究極端天體現(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。

　　背景資料：

　　高海拔宇宙線觀測站及其核心科學(xué)目標(biāo)

　　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(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里，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臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的復(fù)合陣列。LHAASO采用這四種探測技術(shù)，可以全方位、多變量地測量宇宙線。

　　高海拔宇宙線觀測站的核心科學(xué)目標(biāo)是：探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化和高能天體活動，并尋找暗物質(zhì)；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源，精確測量它們從低于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”）的寬廣能量范圍內(nèi)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(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）”周圍產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云，發(fā)射出來的能量超過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，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(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。借助這前所未有的靈敏度，1/2規(guī)模的KM2A僅用了11個月就探測到并證認(rèn)了來自蟹狀星云的約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個類似的源，他們都具有超高能光子輻射，其能譜穩(wěn)定地延伸到PeV附近，其中探測到的伽馬光子的最高能量達到創(chuàng)紀(jì)錄的1.4 PeV。由此可見， LHAASO的此次科學(xué)成果在宇宙線起源的研究進程中具有里程碑意義。具體來說有以下三個方面的科學(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^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（觀測中超過5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的超出視為有效觀測），幾乎所有的輻射能譜都穩(wěn)定延伸到幾百TeV且沒有明顯截斷，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過1 PeV。這突破了當(dāng)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。同時，LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)大量存在PeV宇宙加速源，也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）開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代。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 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)時代的開啟，在隨后的30年里，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)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規(guī)模不到1年的觀測數(shù)據(jù)，LHAASO就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個。

　　隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預(yù)見這一最高能量的天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知的“超高能宇宙”，為探索宇宙極端天體物理現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù)。由于宇宙大爆炸產(chǎn)生的背景輻射無所不在，它們會吸收高于1 PeV的伽馬射線。到了銀河系以外，即使產(chǎn)生了PeV伽馬射線，由于背景輻射光子的嚴(yán)重吸收，我們也接受不到這些PeV伽馬射線。LHAASO打開銀河系PeV輻射探測窗口，對于研究遙遠的宇宙也具有特殊意義。

　　3）能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。PeV光子的探測是伽馬天文學(xué)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(fā)展的強大驅(qū)動力。事實上，上個世紀(jì)80年代伽馬天文學(xué)爆發(fā)式發(fā)展的一個重要動機就是挑戰(zhàn)PeV光子極限。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮的區(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”。

　　LHAASO在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)PeV伽馬光子，使得這個本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區(qū)。這個區(qū)域?qū)⑹荓HAASO以及相關(guān)的多波段、多信使天文觀測設(shè)備關(guān)注的焦點，有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。

　　歷史上對蟹狀星云大量的觀測研究，使之成為幾乎唯一具有清楚輻射機制的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)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(yán)重挑戰(zhàn)了這個高能天體物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，甚至于對更加基本的電子加速理論提出了挑戰(zhàn)。

　　技術(shù)創(chuàng)新

　　LHAASO開發(fā)了1）遠距時鐘同步技術(shù)，確保整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水平；在高速前端信號數(shù)字化、高速數(shù)據(jù)傳輸、大型計算集群協(xié)助下滿足了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探測技術(shù)，大大提高了伽馬射線測量的空間分辨率，達到了更低的探測閾能，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。LHAASO也為開展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿交叉科學(xué)研究提供了重要實驗平臺，并成為多邊國際合作共同開展高水平研究的科學(xué)基地。

　　中國的宇宙線研究發(fā)展歷程

　　中國的宇宙線實驗研究經(jīng)歷了三個階段，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實驗室。高山實驗?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)?？蛇h大于大氣層外的天基探測器。由于超高能量宇宙線數(shù)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米的云南東川落雪山建成。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；2000年，啟動中意ARGO實驗。2009年，在北京香山科學(xué)會議上，曹臻研究員提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構(gòu)想。LHAASO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。2020年1月，LHAASO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。2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為國際領(lǐng)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。