历史首次！“拉索”认证超级宇宙线加速源

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历史首次！“拉索”认证超级宇宙线加速源

作者：李骢等 来源：《科学通报》 发布时间：2024/2/26 16:58:34

兴奋感来得快，去得也快。高海拔宇宙线观测站（LHAASO ，简称“拉索”）团队成员、中国科学院高能物理研究所副研究员李骢放下因激动而举起的双臂。

这是 2020 年的一天，李骢的面前，放着一张天鹅座恒星形成区的光子能量分布图。这个地方离太阳系有 4000 光年至 5000 光年那么远。图是以“拉索”探测数据为基础形成的。图上的两个亮白光斑恰好落在星际间气体分布最密的地方。

“这个区域里应该有超级宇宙线加速源！但是……还不够清晰。”李骢挠了挠头。

他决定继续等待。只要“拉索”能收集到更多超高能光子数据，这张图就能被填得越来越清晰。

4 年后，2024 年 2 月 26 日，他和他的合作者终于以封面文章形式，在《科学通报》上正式发表了关于发现超级宇宙线加速源的论文。

这次，他们在天鹅座恒星形成区，清晰地看到了一个巨型超高能伽马射线泡，尺度有千万个太阳系那么大，质量是太阳质量的几百万倍。这个“巨型泡泡”是历史上首个被认证的超级宇宙线加速源。它的出现，让原本可以解释宇宙线的一些理论模型不再适用。


《科学通报》封面图。中国科学院高能物理研究所供图

巨型泡泡  “里面有个令人怀疑的东西”

天鹅座是银河系北部天区里最亮的地方。每年9月25日晚上8点，天鹅座都会升上中天。当银河像轻纱一般飘在空中时，天鹅座就像点缀在轻纱上的颗颗钻石。

因为足够亮，天鹅座也承载了人类破解宇宙线起源难题的希望。

宇宙线是宇宙中的带电粒子，占据了宇宙星际介质的四分之一，主要成分是质子。宇宙线的起源问题是当代天体物理学最重大的前沿科学问题之一。

2020 年，“拉索”找到了 12 颗由宇宙线产生的超高能光子，有2颗来自天鹅座，而 12 颗光子中，能量最高的一颗也在天鹅座，高达 1.4 千万亿电子伏。

当这一消息在 2021 年 5 月 17 日以论文形式刊发于《自然》杂志时，全球科学家大为震惊。不到 3 年，这篇论文已经被引用了 380 多次，大家都在讨论一个问题：“这么高能量的宇宙线和光子是怎么出现的？”

就在全球科学家百思不解时，“拉索”又陆续在天鹅座里找到了另外 7 颗超高能光子，能量最高的一颗达到了 2 千万亿电子伏。

集齐了足够多的超高能光子数据后，李骢看到了一张更清晰的图。图上，8 个大亮斑几乎均匀地分布在一个空间里，它们和周围的一些小亮斑，共同组成了一个泡状结构，而且，所有亮斑清晰地落在星际空间中气体物质分布密集的地方。


“拉索”观测到的高能伽马射线空间分布，图中每个圆点代表“拉索”探测到的一个超高能伽马光子，不同颜色代表不同能量级别。中国科学院高能物理研究所供图

“这是非常明显的证据！说明泡泡中心有个令人怀疑的东西！它在以几乎恒定的速度产生能量高于1亿亿电子伏的宇宙线，这些宇宙线与分子云碰撞，产生了超高能光子！”这次，李骢兴奋极了。

在南京大学天文与空间科学学院研究员柳若愚、中国科学技术大学教授杨睿智等的支持下，他们果真在泡泡中心的附近，看到了一个处于极端环境的大质量恒星星团。

星团里的恒星大多年轻、炽热，有些表面温度超过 35000 度，有些表面温度超过 15000 度，它们的辐射强度是太阳的百倍至百万倍。巨大的辐射压将恒星表面物质吹出，形成了强烈的星风，速度可达每秒上千公里。星风与周围星际介质发生碰撞，星风之间也猛烈碰撞，致使这里变成了强激波、强湍流的极端区域。

“这里很可能就是超高能宇宙线诞生的地方。”李骢说。他们叫它“超级宇宙线加速源”（Super PeVatron）。


巨型超高能伽马射线泡艺术图。中国科学院高能物理研究所供图

怎么“加速”的？  “现有模型还解释不了”

如果天鹅座恒星形成区是一个“超级宇宙线加速源”，那么，这些大质量恒星星团是怎么产生出超高能宇宙线并让它们加速的呢？

“现有模型还解释不了这个现象。”论文通讯作者、“拉索”首席科学家曹臻院士告诉《中国科学报》，“人们需要寻找新的模型。”

现有的理论模型无法解释宇宙线的产生和加速机制，同样，也难以解释宇宙线的传播扩散机制。

以往，天体物理学家认为，星际空间很“空”，宇宙线一旦被注入星际空间，就会像墨水滴进清水一般，迅速扩散开。但“拉索”的研究结果显示，宇宙线的扩散速度只是原来想象的 1/100 。

“如果很快扩散开，那么人类就没有机会看到这个泡泡了。”曹臻说。

合作组成员柳若愚推断，宇宙线的扩散速度可能受到了星际磁场影响，这意味着星际磁场的分布不仅不均匀，而且不规则程度极高。“至于为什么磁场会形成这样的分布，则成为一个更加复杂的问题。”柳若愚说。

在推翻现有理论模型的同时，“拉索”也为天体物理学家建立新模型提供了线索。

2023 年 10 月 9 日，“拉索”在《物理评论快报》上发表论文，提出宇宙中弥散的宇宙线能谱和空间分布与传统模型预期存在差异，“传统模型无法充分描述观测结果，需要做出重要修改”。论文刊发至今，已经被引用了几十次，学界正在重新审视宇宙线和星际介质相互作用的模型。

“这一次，我们看到的泡泡，给大家提供了一个可能的解释。”曹臻说，“泡内超级宇宙线加速器可能使得周边星际空间的宇宙线密度显著高于银河系内的宇宙线平均水平，其所影响的空间范围甚至远超目前观测到的气泡尺度。”

看到“拉索”的新成果时，意大利国家天体物理研究所（INAF）Elena Amato 教授感慨：“这些结果不仅对银河系弥散伽马辐射的理解有重要影响，还直接关系到怎样描述宇宙线在银河系内的传播过程。”


“拉索”航拍图。中国科学院高能物理研究所供图

提升能力  “逼近宇宙线起源问题的终极答案”

宇宙线从发现至今，已有 100 多年的历史，但是人类始终没能成功阐释宇宙线“从哪里来”“怎么来的”等问题。

“我们将寻找更多的超级宇宙线加速源。随着观测时间的增加，‘拉索’有可能探测到更多的千万亿电子伏乃至更高能量宇宙线的加速源，有望解决银河系宇宙线起源之谜。”曹臻说。

“拉索”是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，也是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，位于四川省稻城县海拔 4410 米的海子山。从 2019 年 4 月起，“拉索”边建设、边运行，至 2021 年 7 月正式建成并稳定运行。目前，已有 32 个国内外天体物理研究机构成为“拉索”国际合作组成员单位，成员约 280 人。

曹臻告诉《中国科学报》，未来，“拉索”国际合作组还希望摸清宇宙线起源相关的更基础的问题。

“要往‘里头’走，这里面涉及的基础物理问题非常丰富，例如，宇宙线粒子到底是怎么被加速的。”曹臻说，“要解决这些问题，不仅需要‘拉索’拓展现有探测能力，也需要其他的观测装置来帮忙。”

“它存在一个小问题，它的空间分辨能力不够强，这会对它将来进一步探测宇宙线具体加速过程造成限制”。

为了进一步提升空间分辨能力，“拉索”已规划再建 32 台望远镜，以“更清晰地识别超高能宇宙线的发射位置，逼近宇宙线起源问题的终极答案。”曹臻说。

与此同时，曹臻介绍，中国科学院正在组织建制化的研究体系，将“拉索”、中国天眼、爱因斯坦探针卫星、“银河画卷”巡天计划等联合起来，形成有组织的合作团队，从各个层面深入探寻宇宙线的起源问题。

除了提升探测能力之外，“拉索”团队也在努力提升理论分析能力。

“大量新的现象，现有模型解释不了，太难了，绝对不是把原来的老东西翻出来，随便比划比划就能搞得定的。所以，这是一个更加长期的工作。”曹臻说。

他介绍，为了发展新理论，“拉索”团队正在组织全国科研力量开展宇宙线理论研究。

“‘拉索’合作组不但要把实验做好，还要把理论研究做得更深入，让‘拉索’的成果真正写进教科书里去，写到人类发展的历史中去。”曹臻说。

（来源：中国科学报 倪思洁）

相关论文链接：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.040

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03498-z

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.151001