Q1．什么是宇宙線？宇宙線的起源被稱為世紀(jì)之謎，其科學(xué)意義是什么？

　　A: 著名的宇宙線物理學(xué)家布如諾-羅西把宇宙線描述為“穩(wěn)定持續(xù)不斷的帶電粒子雨，以近乎光的速度落到地球上來，每時每刻來自所有方向”。更準(zhǔn)確一點：宇宙線是發(fā)源于太陽系外的相對論性粒子——質(zhì)子、原子核、電子。

　　這個稱之為“宇宙線天體物理學(xué)”領(lǐng)域的核心問題曾經(jīng)是并繼續(xù)是尋找加速這些粒子至相對論性高能量的潛在天體。由于混亂的星際和星系際磁場對帶電的粒子的折射效應(yīng)，它們出發(fā)地的方向信息已經(jīng)徹底丟失了，在地球上，我們就探測到（幾乎）各向同性的宇宙線強度，而它們可能是來自于大量的銀河內(nèi)甚至于銀河系外的源。這些源天體有著不同的起源機制并且可以用完全不同的物理參數(shù)來描述，諸如能量budget、時間歷史、加速機制等。這項任務(wù),就好比用如熬了上百萬年的“一鍋粥”一般的混亂現(xiàn)象的少量觀測事實（能譜、成分和對各向同性的微小偏離）來尋找它們的源頭，如果不是完全的無望，至少也是一個巨大的挑戰(zhàn)。

　　Q2. 伽馬射線相較于宇宙線中的其他粒子，有什么探測方面的優(yōu)勢和特殊意義？

　　A: 只有中性和穩(wěn)定的粒子才能提供宇宙線加速器位置的信息。幸運的是，大自然對我們是仁慈的，提供了這種粒子——伽馬射線（“相對論性”光子）和中微子。兩種粒子都能在宇宙線加速器的內(nèi)部或者它的周圍通過宇宙線與周邊的物質(zhì)的相互作用有效地產(chǎn)生，因此就攜帶了關(guān)于這些宇宙線“工廠”位置的唯一信息。

　　更重要的是，因為從粒子物理和量子電動力學(xué)我們知道關(guān)于伽馬射線和中微子產(chǎn)生幾乎所有的細(xì)節(jié)，因此基于測量到的伽馬射線和中微子的能譜和時間信息，我們可以重建出這些加速器的許多詳細(xì)特征。

　　作為高能現(xiàn)象的信使，中微子的作用與伽馬射線是類似的，但也有本質(zhì)上的差別。中微子只在強相互作用過程中產(chǎn)生，同時，與伽馬射線不同的是，中微子只與周圍的物質(zhì)、磁場和輻射場發(fā)生非常微弱的相互作用。因此，它們攜帶了高能過程發(fā)生的某些“隱秘”區(qū)域的信息，而這些區(qū)域?qū)τ谫ゑR射線而言是不透明的。

　　Q3. 超高能伽馬天文窗口的科學(xué)意義和重要性是什么？

　　A: 在過去的20年里，我們見證了伽馬天文革命性的進(jìn)展。伽馬射線的能量范圍從低能（或者叫MeV；1MeV=1兆電子伏特）和高能（或者叫GeV；1GeV=1京電子伏特）能區(qū)到甚高能（或者叫TeV；1TeV=1太電子伏特）和超高能（或者叫PeV；1PeV=1拍電子伏特）能區(qū)的躍變。對伽馬射線的研究需要特別設(shè)計的探測器來精確地測量它們的到達(dá)方向和能量。低能和高能區(qū)是用空間探測器，而用地基的探測裝置能夠有效地開展甚高能和超高能區(qū)的探測。

　　當(dāng)下，我們關(guān)于MeV/GeV伽馬天空的知識，主要來自于Fermi衛(wèi)星的LAT（譯者：大面積望遠(yuǎn)鏡）的測量結(jié)果。用所謂對產(chǎn)生追蹤技術(shù)，大部分發(fā)射前所進(jìn)行的優(yōu)化得到的發(fā)現(xiàn)數(shù)千伽馬射線源的預(yù)期都得到了證實。

　　令人更加印象深刻的是在TeV能區(qū)取得的成功。拜HESS、MAGIC 和VERITAS實驗采用的立體成像空氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（IACT）技術(shù)所賜，這個領(lǐng)域迅速發(fā)展成為符合正規(guī)的天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)的觀測。過去的10~15年的觀測已經(jīng)產(chǎn)生了許多重要的發(fā)現(xiàn)，而這項技術(shù)的發(fā)展離其飽和狀態(tài)還相去甚遠(yuǎn)。作為下一代伽馬射線探測器，切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（CTA）的設(shè)計，正是沖著再提高探測靈敏度10倍和擴(kuò)展到從10GeV到100TeV的能量覆蓋度這一雄心勃勃的計劃而來的。IACT陣列用來探測點狀或者輕度擴(kuò)展的伽馬射線源。

　　另一方面，IACT陣列技術(shù)在搜尋延展的結(jié)構(gòu)和孤立的或者暫現(xiàn)的伽馬射線現(xiàn)象存在局限性。在這方面，基于直接測量廣延空氣簇射（EAS）中次級粒子的陣列探測技術(shù)，就是一種互補的探測方法，比如（譯者：西藏羊八井的）ARGO（譯者：ARGO-YBJ）、（譯者：ASγ）和水切倫科夫探測器HAWC等實驗。這種技術(shù)可以延申到100TeV以上的能區(qū)。LHAASO的觀測結(jié)果，令人信服地展現(xiàn)了這項技術(shù)的潛力，并且打開了宇宙電磁能譜上新的超高能（UHE）窗口。

　　Q4. 開啟一個新的天文窗口的標(biāo)志是什么？LHAASO又是如何打開超高能伽馬天文這一最高能量的天文窗口的？

　　A: 兩個事實說明了LHAASO巨大的成功：

　　1） 集巨大探測面積、超強伽馬/質(zhì)子區(qū)分能力、很好的能量分辨率和適度的角度分辨率于一身的獨特性能。其巨大的探測面積（1平方千米）滿足伽馬光子對統(tǒng)計性的需求，獨特的背景宇宙線質(zhì)子和核的排除能力（萬分之一到十萬分之一剩余率），結(jié)合不錯的能量分辨率（<20%）適度的角度分辨率（0.2°到0.3°），足以在UHE能區(qū)（>100TeV）開展深度的形態(tài)學(xué)和譜學(xué)研究。

　　2） 大量存在的UHE伽馬射線源，展現(xiàn)了其天文學(xué)類型多樣性。

　　上述要點中的第一條是長期廣泛地期待的，LHAASO的超級規(guī)模是實現(xiàn)這些性能的目標(biāo)之使然，而獲得的成果證實了當(dāng)初的主要設(shè)計理念之合理性。相反，第二條，即大量的存在性是一個巨大的出乎意料的驚喜。這些UHE伽馬射線源的發(fā)現(xiàn)，意味著伽馬射線產(chǎn)生區(qū)域的內(nèi)部或周圍存在著粒子的拍伏加速器（無論是對電子還是質(zhì)子）。驚喜的另一面，卻是對現(xiàn)有理論嚴(yán)重的挑戰(zhàn)：這些粒子加速器是何以能夠（譯者：在如此極端的條件下）運行（見下面的詳細(xì)討論）?？梢韵劝牙碚撍媾R的問題放在一邊，即如何把粒子加速到高達(dá)PeV的能量，LHAASO的結(jié)果告訴我們：銀河系到處都是這些近乎完美地設(shè)計出來的“天然”粒子加速器。

　　Q5. LHAASO探測到的最高能量的伽馬射線，有什么特殊意義？

　　A: 利用部分完成的LHAASO探測器和不到一年的曝光量，就成打地發(fā)現(xiàn)了這些UHE伽馬射線源，意味著銀河系內(nèi)部大量存在著拍伏加速器，這的確是一個巨大的驚喜。0.1PeV的光子只能由PeV的父輩粒子產(chǎn)生，無論是質(zhì)子通過p-p強相互作用，還是電子通過逆康普頓散射，這些粒子如何被加速到PeV，都是巨大的挑戰(zhàn)。在流行的理論框架內(nèi)，問題在于銀河系內(nèi)的質(zhì)子只能在年輕的超新星遺跡、或者是超亮的年輕巨質(zhì)量恒星（1萬到10萬倍太陽亮度）之間相互碰撞的星風(fēng)才有可能被加速到PeV的能量。而且，兩者都要求我們把理論模型中的關(guān)鍵參數(shù)設(shè)為極端（幾乎不真實）狀態(tài)（比如所謂波姆極限擴(kuò)散、磁場放大效應(yīng)等）。對于電子，銀河系里唯一能夠?qū)⑺鼈兗铀俚絇eV的是所謂脈沖星風(fēng)云。這里，我們必須面對的必然是“絕對極端的加速器”：粒子的加速效率必須達(dá)到按第一性原理所允許的（譯者：極端）邊界——按照經(jīng)典電動力學(xué)，粒子的加速率效率ν=eBc，B是磁場強度，c是光速，e是粒子的電荷。換句話說，我們所見的是“大自然”完美地設(shè)計出來的機器，它們是運行在極端或者絕對極端條件下的粒子加速器：幾乎100%的加速效率！這里包含兩重含義：（1）100% 的利用了所有可能的能源（動能、電磁能、引力能等）來把粒子加速到相對論性能量；（2）加速率（譯者：單位時間內(nèi)獲得能量增量）必須達(dá)到可能的最大值。

　　Q6. LHAASO探測到的最高能量伽馬射線來自哪個天體？這個天體有什么特殊的地方？

　　A: 見前一點。

　　Q7. LHAASO這次探測到的超高能伽馬射線能量有多高？對人體有危害嗎？一個人被這樣的射線擊中的頻率有多高？

　　A: 不會，地球的大氣保護(hù)了我們免受這些伽馬射線的傷害。但即使這些伽馬射線能夠穿過大氣進(jìn)入到我們的身體，也完全不會是什么大問題，光子會與我們的身體相互作用產(chǎn)生兩個電子（譯者：正負(fù)電子對）。它們將會在體內(nèi)產(chǎn)生離化，而這件事跟任意其他的相對論性粒子所作的是沒有啥差別的，不管怎么說，大氣中存在的繆子和電子從數(shù)量上來說，可是比UHE伽馬光子多出來好幾個量級了。

　　Q8. LHAASO的世界領(lǐng)先優(yōu)勢可以保持多少年？預(yù)計未來LHAASO還將有什么重大發(fā)現(xiàn)?

　　A: LHAASO應(yīng)該被稱之為現(xiàn)在運行起來了的“未來探測器”，也就是說它代表的是第三代探測器，當(dāng)瞄準(zhǔn)從TeV到PeV能段的宇宙線和伽馬射線測量的第二代探測器還停留在設(shè)計階段之時，它就取數(shù)運行了。當(dāng)下，只有一個相當(dāng)于WCDA規(guī)模的潛在探測器（SWGO）剛剛提出建議在南半球開展0.1到100 TeV伽馬射線探測，而甚至于還沒有KM2A規(guī)模的瞄準(zhǔn)10 TeV到 10 PeV能段的任何其他計劃在可預(yù)見的將來提出來。LHAASO還是一個寬視場的探測器。

　　我們可以預(yù)見大多數(shù)的令人激動的發(fā)現(xiàn)將會出現(xiàn)在未來1~2年，之后的一個階段的核心目標(biāo)，將圍繞相對較強的一些源開展深度的譜學(xué)和形態(tài)學(xué)研究，當(dāng)然還會伴隨著一批弱的伽馬射線源的發(fā)現(xiàn)，這種深入的研究將圍繞1 PeV或者更高一些的能量進(jìn)行。根據(jù)去年觀測的經(jīng)驗，沒有哪個源具有超出1~2個PeV光子的發(fā)射能力，這就意味著我們將需要LHAASO保持運行（至少）20年，尤其對KM2A而言。放眼望去，在此期間KM2A都不存在任何競爭，無論是在北半球還是在南半球。

　　同時，在度過了未來幾年最激動人心的“發(fā)現(xiàn)期”之后，WCDA會作為一個強有力的全天普查裝置用來掃描北半球，特別是成為對AGN的伽馬射線耀發(fā)和孤立事件比如伽馬射線暴及其余暉，非常有效地的獵手，至少10年（甚而是20年），WCDA都會主導(dǎo)北半球的觀測研究。

　　伽馬天文注定是一個多波段（MWL）的綜合性研究。對于空間上擴(kuò)展的源，LHAASO的探測靈敏度已經(jīng)超越了其他波段的觀測伙伴，如X-射線和MeV/GeV伽馬波段，以及甚高能中微子探測器。下一代的X射線探測器、低能伽馬射線探測器和超高能中微子探測器能否在未來10至20年內(nèi)出現(xiàn)，應(yīng)該是正確解讀LHAASO結(jié)果的關(guān)鍵因素。

　　LHAASO連續(xù)運行20年，將會極大地惠及天體物理和粒子天體物理界。這里L(fēng)HAASO關(guān)于伽馬源成果的首次報告才只是冰山一角。未來數(shù)年，我們預(yù)見的發(fā)現(xiàn)也許會徹底改變我們關(guān)于最高能量和極端現(xiàn)象非熱宇宙的知識和流行的基本概念。

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