首個(gè)超級(jí)宇宙線(xiàn)源被確認(rèn)，我國(guó)“拉索”觀測(cè)站立功

IT之家 2 月 27 日消息，據(jù)中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所消息，高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO，“拉索”）在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨型超高能伽馬射線(xiàn)泡狀結(jié)構(gòu)，歷史上首次找到能量高于 1 億億電子伏的宇宙線(xiàn)的起源天體。

該成果于 2 月 26 日以封面文章的形式在《Science Bulletin》（《科學(xué)通報(bào)》）上正式發(fā)表。該研究工作由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的 LHAASO 國(guó)際合作組完成，中國(guó)科學(xué)院院士、高能物理研究所研究員曹臻，山東大學(xué)和高能物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生高川東，高能物理研究所李驄副研究員，南京大學(xué)柳若愚研究員，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊睿智教授為論文的共同通訊作者。

▲ 《Science Bulletin》封面

據(jù)介紹，宇宙線(xiàn)是從外太空來(lái)的帶電粒子，其主要成分為質(zhì)子。宇宙線(xiàn)的起源是當(dāng)代天體物理學(xué)最重大的前沿科學(xué)問(wèn)題之一。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，宇宙線(xiàn)的能譜（即宇宙線(xiàn)數(shù)量在粒子能量上的分布）在 1 千萬(wàn)億電子伏附近呈現(xiàn)出一個(gè)拐折結(jié)構(gòu)，因其形狀類(lèi)似膝關(guān)節(jié)而被稱(chēng)為宇宙線(xiàn)能譜的“膝”。

科學(xué)家們認(rèn)為，能量比“膝”低的宇宙線(xiàn)起源于銀河系內(nèi)的天體，而“膝”的存在也表明銀河系大部分的宇宙線(xiàn)源加速質(zhì)子的能量極限在 1 千萬(wàn)億電子伏左右。然而，究竟何種天體能把宇宙線(xiàn)能量加速到這么高能量，形成“膝”的能譜結(jié)構(gòu)，仍然是一個(gè)未解之謎，也是近年來(lái)宇宙線(xiàn)研究中最引人關(guān)注的課題之一。

拉索此次在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)的巨型超高能伽馬射線(xiàn)泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)有多個(gè)能量超過(guò) 1 千萬(wàn)億電子伏的光子分布其中，最高達(dá)到 2 千萬(wàn)億電子伏。

一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生能量為 2 千萬(wàn)億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高 10 倍的宇宙線(xiàn)粒子。因此，這表明泡內(nèi)部存在超級(jí)宇宙線(xiàn)加速器，源源不斷地產(chǎn)生能量至少達(dá)到 2 億億電子伏的高能宇宙線(xiàn)粒子，并注入到星際空間。這些高能宇宙線(xiàn)與星際空間中的氣體物質(zhì)發(fā)生碰撞產(chǎn)生伽馬光子，光子的數(shù)目與周?chē)鷼怏w的分布呈現(xiàn)清晰的關(guān)聯(lián)，而位于泡中心附近的大質(zhì)量恒星星團(tuán)（Cygnus OB2 星協(xié)）則是超級(jí)宇宙線(xiàn)加速器最可能的對(duì)應(yīng)天體。

星協(xié)是由很多表面溫度超過(guò)約 3 萬(wàn) 5 千度的恒星（O 型星）和表面溫度超過(guò)約 1 萬(wàn) 5 千度的恒星（B 型星）這類(lèi)年輕、熾熱的大質(zhì)量恒星組成密集星團(tuán)。這些恒星的輻射強(qiáng)度是太陽(yáng)的百倍至百萬(wàn)倍，巨大的輻射壓將恒星表面物質(zhì)吹出，形成了強(qiáng)烈的星風(fēng)，速度可達(dá)每秒上千公里。星風(fēng)與周?chē)请H介質(zhì)的碰撞以及星風(fēng)之間的猛烈碰撞產(chǎn)生了強(qiáng)激波、強(qiáng)湍流的極端環(huán)境，成為強(qiáng)大的粒子加速器。

這是迄今為止人們能夠認(rèn)證的第一個(gè)超級(jí)宇宙線(xiàn)加速源，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，拉索將可能探測(cè)到更多的千萬(wàn)億電子伏乃至更高能量宇宙線(xiàn)的加速源，有望解決銀河系宇宙線(xiàn)起源之謎。

▲ 天鵝座泡狀結(jié)構(gòu)的流強(qiáng)隨能量分布以及模型擬合結(jié)果

拉索還根據(jù)觀測(cè)推斷出泡內(nèi)超級(jí)宇宙線(xiàn)加速器使得周邊星際空間的宇宙線(xiàn)密度顯著高于銀河系內(nèi)宇宙線(xiàn)的平均水平。其所影響的空間范圍甚至遠(yuǎn)超目前觀測(cè)到的氣泡尺度，為拉索此前探測(cè)到的銀河系彌散伽馬射線(xiàn)輻射的超出提供了一種可能的解釋。

IT之家注：拉索是以宇宙線(xiàn)觀測(cè)研究為核心的國(guó)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，是由 5216 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探測(cè)器陣列、7.8 萬(wàn)平方米水切倫科夫探測(cè)器陣列以及由 18 臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的復(fù)合陣列。

拉索于 2021 年 7 月建成并開(kāi)始高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，是國(guó)際上最靈敏的超高能伽馬射線(xiàn)探測(cè)裝置。設(shè)施的運(yùn)行由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)，采用通用的國(guó)際合作模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)施平臺(tái)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的開(kāi)放共享。目前，已有 32 個(gè)國(guó)內(nèi)外天體物理研究機(jī)構(gòu)成為拉索的國(guó)際合作組成員單位，成員約 280 人。