國家重大科技基礎(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=千萬億），這是人類觀測(cè)到的最高能量光子，突破了人類對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開啟 “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）。該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。
LHAASO的平方公里探測(cè)陣列內(nèi)的1188個(gè)繆子探測(cè)器專門用于排除非光子信號(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)到并證認(rèn)了來自蟹狀星云的約1 PeV的伽馬光子。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)。
科學(xué)家發(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(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”?！斑@說明宇宙深處還存在更高能、更強(qiáng)大的宇宙粒子加速器，有待我們?nèi)グl(fā)現(xiàn)?！敝袊茖W(xué)院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員、國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施LHAASO項(xiàng)目經(jīng)理兼首席科學(xué)家曹臻說。
這些發(fā)現(xiàn)開啟了 “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”。
1989年，美國亞利桑那州惠普爾天文臺(tái)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)代的開啟。在隨后的30年里，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過兩百個(gè)“甚高能”伽馬射線源。直到2019年，人類才探測(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)。
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)的物理過程，并在極端條件下檢驗(yàn)基本物理規(guī)律。
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(gè)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)。
此外，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(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，長期以來一直是伽馬天文發(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)展的一個(gè)重要?jiǎng)訖C(jī)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(gè)大質(zhì)量恒星星團(tuán)，大質(zhì)量恒星的壽命只有幾百萬年，因此星團(tuán)內(nèi)部充滿了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(gè)區(qū)域?qū)⑹荓HAASO以及相關(guān)的多波段、多信使天文觀測(cè)設(shè)備關(guān)注的焦點(diǎn)，有望成為解開“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)。
>>>延伸閱讀
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(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。LHAASO采用這四種探測(cè)技術(shù)，可以全方位、多變量地測(cè)量宇宙線。
高海拔宇宙線觀測(cè)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(dòng)，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(cè)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(cè)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(hào)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(gè)，而這1到2個(gè)光子還被淹沒在幾萬個(gè)通常的宇宙線事例之中。
技術(shù)創(chuàng)新
LHAASO開發(fā)了一系列新技術(shù)。
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)助下滿足了要求
2、多種觸發(fā)模式并行等尖端技術(shù)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)，大大提高了伽馬射線測(cè)量的空間分辨率，達(dá)到了更低的探測(cè)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(dá)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(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)?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y(cè)介質(zhì)，在地面進(jìn)行觀測(cè)，探測(cè)器規(guī)模可遠(yuǎn)大于大氣層外的天基探測(cè)器。由于超高能量宇宙線數(shù)量稀少，這是唯一的觀測(cè)手段。
1954年，中國第一個(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)；2000年，啟動(dòng)中意ARGO實(shí)驗(yàn)。
2009年，在北京香山科學(xué)會(huì)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(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。
2020年1月，LHAASO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，LHAASO陣列將全部建成，成為國際領(lǐng)先的超高能伽馬探測(cè)裝置，投入長期運(yùn)行，從多個(gè)方面展開宇宙線起源的探索性研究。
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