突破了人類對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知
日前，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站”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，開啟了 “超高能伽馬天文學(xué)”的時(shí)代。這些發(fā)現(xiàn)將于2021年5月17日發(fā)表在《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高海拔宇宙線觀測(cè)站國(guó)際合作組完成。
【探索高能宇宙線起源，尋找暗物質(zhì)】
高海拔宇宙線觀測(cè)站，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。
水切倫科夫探測(cè)器內(nèi)安裝到位的部分探測(cè)器陣列
繆子探測(cè)器
地面簇射粒子陣列
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。
高海拔宇宙線觀測(cè)站尚在建設(shè)中，2021年陣列將全部建成。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?；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。
【有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口】
高海拔宇宙線觀測(cè)站項(xiàng)目首席科學(xué)家曹臻，介紹了此次探測(cè)在三個(gè)方面的科學(xué)突破。
首先，揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^1拍電子伏的宇宙加速器。人類在地球上建造的最大加速器（歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）只能將粒子加速到0.01拍電子伏。
當(dāng)前流行的理論模型認(rèn)為，銀河系內(nèi)的宇宙線加速器能量極限就在拍電子伏附近，從而預(yù)言伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近會(huì)有“截?cái)唷爆F(xiàn)象，而高海拔宇宙線觀測(cè)站的結(jié)果完全突破了這個(gè)“極限”。在這次所能夠有效觀測(cè)到的伽馬射線源中，幾乎所有的輻射能譜都穩(wěn)定延伸到幾百太電子伏且沒有明顯截?cái)?，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過1 拍電子伏，這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。
其次，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。1989年，美國(guó)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 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(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)模的高海拔宇宙線觀測(cè)站不到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)。
隨著高海拔宇宙線觀測(cè)站的建成和持續(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)。
第三，能量超過1拍電子伏的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。
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”。高海拔宇宙線觀測(cè)站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(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)，有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。
示意圖
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。然而，高海拔宇宙線觀測(cè)站測(cè)到的超高能光譜，特別是拍電子伏能量的光子，挑戰(zhàn)了這一“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)。
?。ㄔ醋陨嫌^新聞2021年5月17日版 原地址：https://web.shobserver.com/staticsg/res/html/web/newsDetail.html?id=368204）
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