17日上午，中國科學院高能物理所與施普林格·自然集團(Springer Nature)舉辦聯合發布會，公布了一項重大成果。國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)”在銀河系內發現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認知，開啟了“超高能伽馬天文學”的時代。

該研究工作由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成，成果已于17日發表在《Nature》(《自然》)上。記者了解到，南京大學承擔了論文理論分析與物理模型計算方面的重要任務，是這篇論文的通訊單位之一。

宇宙線無時無刻不在“轟擊”地球

什么是宇宙線?此次突破對于宇宙探索有什么重要意義?南京大學天文與空間科學學院研究員柳若愚說，宇宙線是來自外太空的高能帶電粒子，實際上它們無時無刻不在“轟擊”著地球，但絕大部分都被地磁場以及大氣層所屏蔽。“宇宙線的能量密度占了銀河系星際介質總能量密度的1/3，對星系的演化、恒星與行星的形成都有重要的影響，甚至對地球上生命的演化進程也可能有作用。此外，有一部分宇宙線的能量遠遠超過了地球上最大粒子加速器能夠達到的最高能量。它們起源于一些極端的物理過程或天文現象，通過研究它們以及它們的加速源，我們可以檢驗已知的物理規律在極端條件下是否還成立，并且有機會探索宇宙中新的物理規律。” 柳若愚表示，宇宙線不僅是宇宙的重要組成部分，也是我們認識、理解宇宙的一種重要信息載體。

人類從遠古時代就開始觀測宇宙了，那時用的就是我們的眼睛，“我們的眼睛接收的是可見光，如果光子能量用電子伏為單位，可見光光子的能量范圍大概是在1到4電子伏之間，這是一個很窄的能量范圍。” 柳若愚說，隨著科技的發展，人類發明了各種望遠鏡和探測器，能夠探測在其它能量范圍的光子。此次LHAASO探測到最高光子能量為一千四百萬億電子伏，刷新了人類探測到的最高能量光子的紀錄。

如何“捕捉”最高能量的光子

最高能量的光子是如何“捕捉”到的?必須歸功于尚未建成的高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)，它是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，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合陣列。LHAASO采用這四種探測技術，可以全方位、多變量地測量宇宙線。

“即便是只有1/2的規模，LHAASO也是目前世界上最大的超高能伽馬光子探測器，接收面積達到約43萬平方米。” 柳若愚介紹，高海拔宇宙線觀測站尚在建設中，但作為由很多探測器組成的大陣列，不用等整個陣列完成，安裝好的探測器可以先進行觀測，這次報道的成果是基于已經建成的1/2規模探測裝置，在去年11個月的觀測數據。此外LHAASO中配備了很多繆子探測器，能夠從海量的背景噪音中準確挑出光子信號，這些是LHAASO強大性能的原因。

“關于LHAASO的工作方式，簡單來說，當高能光子進入大氣層后，會被大氣吸收并產生出大量的次級粒子，通過測量到達地面的次級粒子，我們可以還原出初始光子的能量與到達方向。”柳若愚說。

開啟“超高能伽馬天文”觀測時代

雖然這次使用的數據還很有限，但所有被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”。這說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量必定接近或超過1拍電子伏，也意味著銀河系內普遍存在著可將粒子能量加速到1拍電子伏的宇宙加速器。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。

銀河系內的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”，過去預言的極限就在1拍電子伏附近，從而預言的伽馬射線能譜在0.1拍電子伏附近會有“截斷”現象，LHAASO的結果完全突破了這個“極限”。

這次最高能量的光子首次出現在天鵝座區域和蟹狀星云，蟹狀星云是天文學與天體物理學中一個非常重要的天體，誕生于公元1054年的一次超新星爆發。“此前科學家們也在不同能量段觀測過蟹狀星云，做了很多研究。這次LHAASO發現了它能輻射一千萬億電子伏的光子。蟹狀星云中的伽馬光子主要是由電子輻射的，這說明蟹狀星云之中發生著非常極端的物理過程，在以逼近理論極限的加速效率把電子加速到至少一千萬億電子伏。這一點是很驚人的。”柳若愚表示，這些發現開啟了 “超高能伽馬天文”觀測時代，表明年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系內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“世紀之謎”。(記者 楊頻萍)

關鍵詞： 銀河系 超高能 宇宙加速器 最高能量光子