春節(jié)過后，四川省甘孜州稻城縣海拔4410米的海子山上，以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO，拉索）傳來又一重大發(fā)現(xiàn)：在距離地球5000光年左右的天鵝座恒星形成區(qū)，發(fā)現(xiàn)一個(gè)巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，是歷史上首次找到能量高于1億億電子伏的宇宙線的起源天體。

　　2月26日，這一重大成果以封面文章形式，發(fā)表在《Science Bulletin》（《科學(xué)通報(bào)》）上。該研究由中國(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，高能物理研究所副研究員李驄，南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院研究員柳若愚，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授楊睿智為論文的共同通訊作者。

　　以“膝”為標(biāo)：“超出能量”宇宙線被銀河系內(nèi)天體加速

　　“這次拉索最大的發(fā)現(xiàn)是找到一個(gè)類似于大球的泡泡。”曹臻說，此次的發(fā)現(xiàn)比以前每次的發(fā)現(xiàn)都更為復(fù)雜，意味著人類首次看到宇宙線的起源。

　　如何理解起源？那得從“終點(diǎn)”說起。宇宙線是從外太空來的帶電粒子，其主要成分為質(zhì)子，它的起源是當(dāng)代天體物理學(xué)最重大的前沿科學(xué)問題之一。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，宇宙線的能譜（即宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）在1千萬億電子伏附近呈現(xiàn)出一個(gè)拐折結(jié)構(gòu)，因形狀類似膝關(guān)節(jié)，被稱為宇宙線能譜的“膝”。

　　“這個(gè)轉(zhuǎn)折，也就是‘膝’，意味著存在宇宙線加速質(zhì)子能力不足的情況，被看作是銀河系的盡頭?！辈苷榻忉?，能量比“膝”低的宇宙線，被認(rèn)為起源于銀河系內(nèi)的天體，“膝”的存在也表明銀河系大部分的宇宙線源加速質(zhì)子的能量極限在1千萬億電子伏左右?！耙簿褪钦f，科學(xué)家們認(rèn)為超過‘膝’能量的宇宙線來自銀河系外?！?/p>

　　然而，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泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)有多個(gè)能量超過1千萬億電子伏的光子分布其中，最高達(dá)到2千萬億電子伏。

　　“這是人類第一次在銀河系找到能量超過‘膝’的宇宙線?！辈苷檎f，一般來說，產(chǎn)生能量為2000萬億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。“這也說明，有天體把宇宙線能量加速到這么高。”

　　那是何種天體所為？一直以來，科學(xué)家們都在尋找這一“說不清楚的存在”。曹臻說，兩年內(nèi)，關(guān)于一篇宇宙線起源的文章被引用超過380次。短時(shí)間內(nèi)次數(shù)之多，足以說明研究宇宙線的起源至關(guān)重要。

　　自2019年以來，隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)累積，關(guān)于宇宙線的數(shù)據(jù)變得越來越清晰，形態(tài)也越來越清楚。曹臻說：“通過數(shù)據(jù)來看，我們認(rèn)為起源天體就是此次發(fā)現(xiàn)的‘泡泡’?！?/p>

　　以“泡”為核：人們認(rèn)證的首個(gè)超級(jí)宇宙線加速源

　　曹臻攤開一幅圖，圖上顯示了拉索看到的“泡泡”。通過圖例知道，它的體積要比太陽(yáng)大上千萬倍。

　　“這是粗看，湊近點(diǎn)看，里面大有乾坤?！辈苷橛帜贸鲆粡垺敖眻D，圖上有多個(gè)亮點(diǎn)，“一個(gè)亮點(diǎn)就有太陽(yáng)那么大。”他馬上強(qiáng)調(diào)，最吸引人的不是亮度，而是超高能伽馬光子。這些光子幾乎均勻分布在“泡泡”上，說明“泡泡”內(nèi)部存在超級(jí)宇宙線加速器，以恒定的速度，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粒子，并注入星際空間。

　　讓能量從“膝”以下，升高到“膝”的10倍，“泡泡”如何加速宇宙線？

　　“這與‘泡泡’的核心有關(guān)?！辈苷橹钢鴪D片說，“泡泡”的中心是一個(gè)恒星形成區(qū)，也叫作大質(zhì)量恒星星團(tuán)（Cygnus OB2星協(xié)），“你看，上面至少有3個(gè)紅色的亮點(diǎn)。一定范圍內(nèi)，有一個(gè)亮點(diǎn)就不得了，多個(gè)亮點(diǎn)意味著活動(dòng)很激烈?！?/p>

　　有多激烈？據(jù)介紹，星協(xié)是由很多表面溫度超過約3.5萬攝氏度的恒星（O型星）和表面溫度超過約1.5萬攝氏度的恒星（B型星）組成的密集星團(tuán)。這類恒星一般年輕、熾熱且質(zhì)量大。

　　“這意味著這些恒星的輻射強(qiáng)度是太陽(yáng)的百倍至百萬倍?！辈苷檎f，巨大的輻射壓將恒星表面物質(zhì)吹出，形成強(qiáng)烈的星風(fēng)，速度可達(dá)每秒上千公里。對(duì)外，星風(fēng)與周圍星際介質(zhì)進(jìn)行碰撞；對(duì)內(nèi)，在狹小空間中，星風(fēng)互相猛烈碰撞，內(nèi)外碰撞一起產(chǎn)生了強(qiáng)激波、強(qiáng)湍流的極端環(huán)境，這就形成強(qiáng)大的粒子加速器，也是迄今為止人們能夠認(rèn)證的第一個(gè)超級(jí)宇宙線加速源。

　　“加速器形成后，以質(zhì)子為主的微觀粒子被加速到極高的能量，就是我們?cè)诘厍蛏嫌^測(cè)到的宇宙線?！辈苷殛U釋，在星際磁場(chǎng)作用下，超高能宇宙線從加速區(qū)域傳播到星際空間，與星際空間中的靜止質(zhì)子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生高能伽馬射線。高能伽馬射線光子傳播到地球，次級(jí)粒子被拉索觀測(cè)記錄下來，科學(xué)家們從而重建得到伽馬射線圖像。

　　“此次找到的‘泡泡’好比銀河系的小中心，是人類最有希望搞清楚宇宙線起源的天體?！笨茖W(xué)家們認(rèn)為，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，拉索將可能探測(cè)到更多千萬億電子伏乃至更高能量宇宙線的加速源，眾多“泡泡”一起，或?qū)⒆罱K解決銀河系宇宙線起源之謎。

　　拉索刷新認(rèn)知，帶來更多發(fā)現(xiàn)

　　此外，還有一個(gè)重要發(fā)現(xiàn)同步誕生——宇宙線的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)比原來認(rèn)為的慢。

　　科學(xué)家們解釋，原本以為宇宙線的空間很空，一注入銀河系便會(huì)“跑掉”。但現(xiàn)在被拉索“看到了”，證明它不是一下子跑掉，而是慢慢擴(kuò)散、彌漫開來，擴(kuò)散速度不及以往想象的1/100?！袄鞑粩嗨⑿挛覀兊恼J(rèn)知，對(duì)我們認(rèn)識(shí)宇宙線的傳播過程起到啟發(fā)作用，因?yàn)檫@種慢慢擴(kuò)散行為很有可能代表了銀河系的擴(kuò)散行為?！?/p>

　　“‘泡泡’所影響的空間范圍，甚至遠(yuǎn)超目前觀測(cè)到的‘泡泡’尺度，這為拉索此前探測(cè)到的銀河系彌散伽馬射線輻射的超出提供了一種可能的解釋?！辈苷檠a(bǔ)充說。

　　據(jù)介紹，拉索是由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探測(cè)裝置，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)運(yùn)行，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)開放共享。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。