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圖為巨型超高能伽馬射線泡狀結構模擬示意圖。
中國科學院高能物理研究所供圖
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宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，攜帶著宇宙起源、天體演化等方面的重要科學信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。我國高海拔宇宙線觀測站“拉索”正是瞄準這一重大科學難題建立的。日前，由中國科學院高能物理研究所牽頭的“拉索”國際合作組宣布，首次找到能量高于1億億電子伏特的宇宙線的起源天體。
日前，由中國科學院高能物理研究所牽頭的高海拔宇宙線觀測站“拉索”國際合作組宣布，在銀河系北部天區天鵝座恒星形成區發現了一個巨型超高能伽馬射線泡狀結構，歷史上首次找到能量高于1億億電子伏特的宇宙線的起源天體。
這是迄今為止人們能夠確認的第一個超級宇宙線源。該成果于北京時間2月26日以封面文章的形式在《科學通報》上正式發表。
發現一個巨型超高能伽馬射線泡狀結構
宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，主要由質子和多種元素的原子核組成，并包括少量電子和光子以及中微子，時刻存在于我們的星球之上。
1912年，奧地利科學家赫斯首次發現宇宙線。此后的100年間，與之相關的探索與研究已經產生了多個諾貝爾獎，但人類卻始終沒有發現宇宙線的起源。2004年，美國國家科學技術委員會研究確定了新世紀科學研究的11個世紀謎題，宇宙線起源及其加速機制名列其中。
“宇宙線來自哪里，它們是如何被加速到如此之高的能量，一直是困擾科學家的問題。”中國科學院院士、高能物理研究所研究員曹臻說。
宇宙線來自哪里為何這么難以判斷？捕捉高能宇宙線極其不易，要根據獲得的這些少之又少的宇宙線粒子樣本確定它們來自何方，更是難上加難。因為宇宙線多為帶電粒子，會在傳播過程中被宇宙中無處不在的星際磁場所偏轉，等到達地球時早已失去了原初的方向信息，所以無法反推它源自何方。
“先前的研究表明，超新星爆發、黑洞爆發、巨大星系之間的碰撞等，都可能是我們要找的來源。到底誰才是真正的來源，還需要繼續尋找證據。‘拉索’正是瞄準這一重大科學難題建立的。”曹臻說。
2020年，“拉索”找到了12顆超高能伽馬光子，有2顆來自位于銀河系北部天區最亮的天鵝座。其中，能量最高的一顆也在天鵝座，高達1.4千萬億電子伏特。此后，“拉索”又陸續在天鵝座里找到了另外7顆超高能光子，能量最高的一顆達到2千萬億電子伏特。
獲得了足夠多的超高能光子數據后，研究團隊在天鵝座恒星形成區看到了一個巨型超高能伽馬射線泡狀結構。
“這個泡狀結構距我們約5000光年，尺度超過1000萬個太陽系，里面可以清楚地看到有多個能量超過1千萬億電子伏特的光子均勻分布其中，最高達到2千萬億電子伏特。”曹臻指著泡狀結構示意圖上的亮斑密集區域，“而且，這些代表超高能光子的亮斑清晰地分布在星際空間中氣體物質密集的地方。”
合作組科研人員推斷：“這里就是宇宙線誕生的地方，而且是超級宇宙線加速源，宇宙線能量可高達1億億電子伏特以上。”
“拉索”的三大陣列互相配合，對宇宙線特征、起源等進行精密分析
此次“拉索”在銀河系天鵝座區域內發現的巨型超高能伽馬射線泡狀結構，內有多個能量超過1千萬億電子伏特的光子。
團隊成員、中國科學院高能物理研究所副研究員李驄說：“一般來說，產生能量為2千萬億電子伏特的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。因此，這表明泡狀結構內部存在超級宇宙線加速器，源源不斷地產生能量至少達到2億億電子伏特的高能宇宙線粒子，并注入到星際空間。”研究表明，位于泡狀結構中心附近的大質量恒星星團是超級宇宙線源最可能的對應天體。
宇宙線能量越高就越稀少，所以越大規模的探測器才越有可能捕捉到足夠多可供研究的高能宇宙線樣本。
高山實驗是宇宙線觀測研究中能夠充分利用大氣作為探測介質、在地面上進行觀測的手段，探測器規模可遠大于大氣層外的天基探測器。對于超高能量的宇宙線觀測，這是唯一手段。“拉索”就是中國的第三代高山宇宙線實驗室。
曹臻說：“宇宙線中的伽馬射線是能量很高的光子，它進入地球大氣后會與大氣中的原子核發生碰撞，形成一系列新粒子，紛紛落到地面。‘拉索’的3個不同類型的探測器陣列分別對這些落下的粒子進行探測。”
據介紹，水切倫科夫探測器陣列專門用來探測能量較低的宇宙線，地面簇射粒子陣列主要用于探測能量稍高的宇宙線。而切倫科夫望遠鏡陣列將開展宇宙線能譜的高精度測量。“三大陣列互相配合，對宇宙線特征、起源等進行精密分析和研究，最終有望破解宇宙線起源難題。”曹臻說。
“拉索”已規劃再建設32臺望遠鏡
科研團隊表示，隨著觀測時間的增加，“拉索”將可能探測到更多的千萬億電子伏特乃至更高能量宇宙線的加速源，有望解決銀河系宇宙線起源之謎。
此外，“拉索”還根據觀測推斷出，泡狀結構內部超級宇宙線加速器使得周邊星際空間的宇宙線密度顯著高于銀河系內宇宙線的平均水平。
以往，天體物理學家認為，星際空間很“空”，宇宙線一旦被注入星際空間，就會像墨汁滴進清水一般迅速擴散開。但此次“拉索”的研究結果顯示，宇宙線的擴散速度只是原來想象的1/100。
南京大學天文與空間科學學院研究員柳若愚推斷，宇宙線的速度可能受到了星際磁場的影響，這意味著星際磁場的分布不僅不均勻，而且不規則程度極高。“‘拉索’的這次觀測結果也為天體物理學家建立新模型提供了線索。”柳若愚說。
“拉索”是以宇宙線觀測研究為主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，于2021年7月建成并開始高質量穩定運行，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置。設施的運行由中國科學院高能物理研究所承擔，采用通用的國際合作模式，實現設施平臺與觀測數據的開放共享。目前，已有32個國內外天體物理研究機構成為“拉索”的國際合作組成員單位，成員約280人。
“未來，‘拉索’國際合作組還希望摸清與宇宙線起源相關的更基礎的問題。”曹臻說，為進一步提升空間分辨能力，“拉索”已規劃再建設32臺望遠鏡，同時將聯合中國天眼、愛因斯坦探針衛星等形成有組織的合作團隊，合力深入探尋宇宙線的起源。（記者 吳月輝）
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