中国科学家观测到迄今最高能量光子 突破人类对银河系粒子加速传统认知高能宇宙线来自哪里？ 解世纪之谜又进一步
地面簇射粒子阵列
注水后的水切伦科夫探测器内部
开启时代的重大发现
■高海拔宇宙线观测站在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到1.4PeV（1000万亿电子伏）的伽马光子，这是人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知。而人类在地球上建造的最大加速器只能将粒子加速到0.01PeV。
■此次探测出1.4PeV的最高能量伽马光子，在宇宙线起源的研究进程上具有里程碑意义，原来最高探测到0.5PeV，现在不仅仅是3倍左右的差距，更重要的是这些光子的来源非常清楚，说明宇宙加速器就在它们附近0.3°的范围内。
■此次发现开启了“超高能伽马天文学”时代，随着高海拔宇宙线观测站的建成和持续不断的数据积累，可以预见这一探索极端天体物理现象的最高能量天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知“超高能宇宙”。
高能宇宙线来自哪里？这是自宇宙线发现以来，跨越了整整一个世纪的未解之谜。最近，位于四川省甘孜州稻城县海拔4410米的海子山上的高海拔宇宙线观测站发现的最新成果，让人们离解开这个世纪之谜又进一步。
由中国科学院高能物理研究所牵头的高海拔宇宙线观测站（LHAASO拉索）国际合作组昨日宣布，高海拔宇宙线观测站在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到1.4PeＶ（1000万亿电子伏，也叫“拍电子伏”）的伽马光子，这是人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了“超高能伽马天文学”的时代。该成果于北京时间2021年5月17日发表在国际知名学术期刊《Nature》（《自然》）。
成果 发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子
高海拔宇宙线观测站是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，核心科学目标就是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源，精确测量它们从低于1TeV（1万亿电子伏，也叫“太电子伏”）到超过1PeV宽广能量范围内的能谱，测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱，揭示宇宙线产生、加速和传播的规律，探索新物理前沿。
此次报道的成果是基于高海拔宇宙线观测站已经建成的1/2规模探测装置，在2020年内11个月的观测数据。
“发现了能量超过拍电子伏的光子，还发现了12个稳定伽马射线源，能量一直延伸到1拍电子伏附近，甚至还探测到迄今人类从未见过的1.4PeV的最高能量伽马光子。”中国科学院高能所研究员、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻说，“这是位于高海拔宇宙线观测站视场内最明亮的一批银河系伽马射线源，测到的伽马光子信号高于背景7倍标准偏差以上，源的位置测量精度优于0.3°。”
曹臻表示，这次观测积累的数据还很有限，但所有能被高海拔宇宙线观测站观测到的源，它们都具有0.1PeV以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”。“这表明银河系内遍布拍电子伏加速器，而人类在地球上建造的最大加速器（欧洲核子研究中心的LHC）只能将粒子加速到0.01PeV。”
银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”，过去预言的极限就在拍电子伏附近，从而预言伽马射线能谱在0.1PeV附近会有“截断”现象。高海拔宇宙线观测站此次所能够有效观测到的伽马射线源中，几乎所有的辐射能谱都稳定延伸到几百TeV且没有明显截断，突破了这个“极限”。
“这些发现表明，年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体。”曹臻说，科学家们也需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，探索极端天体现象及其相关的物理过程并在极端条件下检验基本物理规律。
意义 开启“超高能伽马天文学”时代
“这就向着解决宇宙线起源这一科学难题迈出了至关重要的一步。”曹臻说，此次探测出1.4PeV的最高能量伽马光子，在宇宙线起源的研究进程上具有里程碑意义，“原来最高探测到0.5PeV，现在不仅仅是3倍左右的差距，更重要的是这些光子的来源非常清楚，说明宇宙加速器就在它们附近0.3°的范围内。”
1989年，亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1TeV以上伽马辐射的天体，标志着“甚高能”伽马射线天文学时代的开启。在随后的30年里，已经发现超过两百多个“甚高能”伽马射线源。直到2019年，人类才探测到首个具有“超高能”伽马射线辐射的天体。出人意料的是，仅基于1/2阵列不到1年的观测数据，高海拔宇宙线观测站就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。
“此次发现开启了‘超高能伽马天文学’时代，随着高海拔宇宙线观测站的建成和持续不断的数据积累，可以预见这一探索极端天体物理现象的最高能量天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知‘超高能宇宙’。”曹臻说。
另外，这次也是科研人员首次在天鹅座区域和蟹状星云观测到能量超过1PeV的伽马射线光子。
天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮区域之一，拥有多个具有大量大质量恒星的星团，具有复杂的强激波环境，是理想的宇宙线加速场所，被称为“粒子天体物理实验室”。高海拔宇宙线观测站在天鹅座恒星形成区首次发现PeV伽马光子，使得这个本来就备受关注的区域成为超高能宇宙线源的最佳候选者，也就自然是高海拔宇宙线观测站以及相关的多波段观测乃至于多信使天文学的巨大热门。
未来 中国有望在宇宙线研究领域实现全球领跑
基于1/2规模的高海拔宇宙线观测站在不到1年，就取得重大成果，高海拔宇宙线观测站是如何实现的？
据悉，“拍电子伏宇宙加速器”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱，即便是被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云发射出来的能量超过1PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个，而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中。
“这是因为高海拔宇宙线观测站有着全球最灵敏的超高能伽马射线探测器。”曹臻介绍，观测站拥有由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列（简称KM2A）、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜，它们交错排布组成复合阵列，采用四种探测技术全方位、多变量测量宇宙线。
其中，1188个缪子探测器专门用于挑选光子信号。直观来看，缪子探测器只是一个个土堆，但土堆之下则是36平方米的混凝土水罐，罐体中放置装有超纯水的反射率达99%的水袋并进行密封。当缪子进入水体，在水中产生切伦科夫光，水袋顶部中心的光电倍增管，将接收的光信号放大，再转化为电信号进行测量。探测器还面临防渗漏的难题，为此在诸多细节上进行了针对性的技术攻关。目前，已投用的1188个缪子探测器无一渗漏。
“缪子探测器的灵敏面积比国际上其他同类探测器超出几十倍，很多人说，这是未来的探测器在现在运行。”曹臻表示，也正是因为有了这一探测器，高海拔宇宙线观测站在相较国际同类装置中，具有最高的高能伽马射线探测灵敏度。除此之外，还具有最灵敏的甚高能伽马射线巡天探测能力、最宽广的宇宙线能量测量范围。
据悉，高海拔宇宙线观测站的主体工程于2017年开始建设，2020年1月，完成1/2规模的建设并投入运行，同年12月完成3/4规模并投入运行。2021年6月，阵列将全部建成，成为国际领先的超高能伽马探测装置并投入长期运行，从多个方面展开宇宙线起源的探索性研究。
“目前，项目已获得国际同行高度关注和认可，俄罗斯、瑞士、波兰等国科学家希望把设备搬到这里，一些国际上代表性实验组也表达了合作及联合观测的愿望，并邀请我们到南半球建设一个观测站。”曹臻说，高海拔宇宙线观测站建成后，中国有望在宇宙线研究领域实现全球领跑，期待更宽能量范围、更完整的伽马射线能谱能够被探测到，最终解决高能宇宙线的起源问题。
链接
宇宙线
宇宙线被称为“宇宙信使”，是来自宇宙空间的高能粒子流，主要由质子和其他原子核组成。超新星爆发、黑洞爆发、巨大星系碰撞等激烈的宇宙事件，都可能产生高能粒子也就是宇宙线。
正是因为这些“宇宙信使”的发现，一步步丰富甚至颠覆了人类对外太空的认识。通过研究其携带的信息，反推它来的方向，找到宇宙加速器所在的位置，进一步了解宇宙起源、天体活动、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。宇宙线能量越高则越稀少，需要建设越大规模的探测器来探测。
超高能宇宙线加速器
能将宇宙线加速到高达千万亿电子伏特（PeV）级别的天体，被称为“拍电子伏特宇宙线加速器”（PeVatron），又名超高能宇宙线加速器。超高能宇宙线加速器代表了银河系内活动最为剧烈的天体。
由于带电的高能宇宙线粒子在银河系传播的过程中，运动方向会被磁场偏转，无法通过直接探测搜寻其源头方向，于是，科学家们想到了另一种探测的手段——高能宇宙线在传播过程中会与星际介质碰撞，进而产生能量约为宇宙线母粒子能量十分之一的高能伽马射线，高能伽马射线不带电，沿直线传播。
只要能在银河系里找到超高能伽马射线，就能沿着伽马射线的方向，搜寻到宇宙线的起源。
对话
中国科学院高能所研究员、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻
成都日报：此次观测为接下来的研究指明了哪些方向？
曹臻：这一次的观测为我们扩宽了研究领域，也带来了许多新问题，要依托新设备与新技术展开更深入的研究。下一步，首先需要提高角分辨率，即雷达的指向精度，现在我们只能知道这些高能量的光子是来自某一个区域，却不能集中在具体的点上，这就需要技术与设备的双向提升。同时，还将展开多波段天文学的研究，将X射线、伽马射线、红外线、紫外线等包含的信息展开系统研究。过去我们常使用伽马射线去观测星区，可不可以换个思路？比如增加中微子等探测力度，多角度地认识我们的宇宙。
成都日报：高海拔宇宙线观测站实现了哪些方面的技术创新？
曹臻：我们开发了远距时钟同步技术，确保整个阵列的每个探测器同步精度可达亚纳秒水平，并且在高速前端信号数字化、高速数据传输、大型计算集群协助下实现了多种触发模式并行等尖端技术应用。同时，还首次大规模使用硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测技术，大大提高了伽马射线测量的空间分辨率，使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面，达到前所未有的水平。
成都日报：大科学装置的建设对相关产业带来哪些影响？
曹臻：大部分大科学装置所使用的设备都需依靠自主研发，这就对产业提出了非常苛刻的要求。举个例子，我们在研究中需要使用一个叫光电倍增管的设备，以前只能依靠进口，但产品效果却达不到我们的要求，而且价格非常昂贵，日本公司一台价格卖到了6万—7万元，科研成本很高。后来我国企业通过自主研发在南京实现了技术突破，产品比原来的性能更高，价格却大大降低，市场上日本同类产品的价钱一下子就跌到2万元。这就体现了大科学装置对产业的刺激，促进了相关配套发展，完善了产业链条。
本报记者 吴怡霏 实习记者 李菲菲图片由中科院高能物理研究所提供
本地
这次重大发现背后 西南交大有哪些贡献
记者昨日获悉，中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到能量达1.4Pev的伽马光子的背后，有着西南交通大学的突出贡献——西南交通大学从1989年开始参与宇宙线观测实验，是LHAASO项目建设的核心单位之一。
建设WFCTA激光标定和大气监测系统
据介绍，西南交通大学承担了广角切伦科夫/荧光望远镜阵列（WFCTA）激光标定和大气监测系统的建设任务，完成了3套激光标定系统的远程控制运行设计，编写并不断完善值班人员远程运行该系统手册。
该系统于2020年10月成功运行，实现了对LHAASO-WFCTA的绝对标定和大气监测，填补了国际上在海拔4400米运用激光光束标定宇宙线探测器的空白。
据悉，WFCTA需要在晴朗的无月亮的夜晚运行，每天夜间值班运行的队伍中有一半师生来自西南交通大学。西南交大的参与，使得WFCTA积累了两个观测季节的宝贵的宇宙线观测数据。
研究雷暴为LHAASO正常运行提供保障
除此之外，雷暴是LHAASO所在的高海拔区域常见的一种天气现象，雷暴期间还常伴随灾害性的闪电、大风和暴雨等。西南交大负责LHAASO观测站大气电场仪的安装和运行，通过雷暴天气的监测，对雷电活动进行预警，从而为LHAASO实验的安全建设正常运行提供保障。
西南交大相关负责人介绍，进入大气层的宇宙线次级带电粒子在穿过雷暴云的过程中，受到雷暴电场的加速或减速作用，到达探测器时其能量、时间和位置等信息将发生改变。由此，宇宙线和雷暴活动的关联就成了宇宙线物理与大气物理交叉学科中的研究热点。
据介绍，依托LHAASO观测站，西南交大通过模拟和数据分析，深入开展雷暴电场对宇宙线影响的研究，保障LHAASO科学成果的可靠性。该研究内容对拓展LHAASO实验的研究领域和范围也将具有积极的科学意义。
本报记者 白洋
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