LHAASO重磅新發(fā)現(xiàn)！中國開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代

　　中新網(wǎng)北京5月17日電 (記者 孫自法)在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)首批超高能宇宙加速器，并記錄到最高1.4拍(1拍=1千萬億)電子伏特(電子伏)伽馬光子，這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知。

　　憑借首批“拍電子伏加速器”和迄今最高能量光子這兩大重磅科學(xué)新發(fā)現(xiàn)，中國科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)建于四川稻城的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)正式開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代，向著解決宇宙線起源這一科學(xué)難題邁出至關(guān)重要的一步。

　　高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)標(biāo)識。　中科院高能所 供圖

　　中科院高能所和施普林格·自然5月17日在北京聯(lián)合舉行新聞發(fā)布會介紹說，高能與天文領(lǐng)域這兩項重大科學(xué)發(fā)現(xiàn)成果論文，由中科院高能所牽頭的LHAASO國際合作組完成，國際著名學(xué)術(shù)期刊《自然》(Nature)當(dāng)天將在線發(fā)表。

　　LHAASO新發(fā)現(xiàn)具體內(nèi)容是什么?

　　LHAASO首席科學(xué)家、中科院高能所曹臻研究員介紹說，目前，LHAASO尚在建設(shè)之中，這次兩大科學(xué)發(fā)現(xiàn)新成果是基于LHAASO已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測裝置，在2020年11個月的觀測結(jié)果。LHAASO國際合作組科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)的能量超過拍電子伏的光子，來自銀河系天鵝座內(nèi)非?；钴S的恒星形成區(qū)。

　　水池注水后的LHAASO水切倫科夫探測器內(nèi)部?！≈锌圃焊吣芩?供圖

　　同時，科學(xué)家們還發(fā)現(xiàn)12個穩(wěn)定伽馬射線源，能量一直延伸到1拍電子伏附近，這是位于LHAASO視場內(nèi)銀河系內(nèi)最明亮的一批伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高于周圍背景7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差以上，源的位置測量精度優(yōu)于0.3度。

　　LHAASO水池內(nèi)安裝到位的部分探測器陣列。　中科院高能所 供圖

　　雖然此次觀測積累的數(shù)據(jù)還很有限，但所有能被LHAASO觀測到的源，它們都具有0.1拍電子伏以上的伽馬輻射，也叫“超高能伽馬輻射”。這表明銀河系內(nèi)遍布拍電子伏加速器，而人類在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的大型強子對撞機)只能將粒子加速到0.01拍電子伏。

　　為什么選擇天鵝座?曹臻稱，天鵝座恒星形成區(qū)擁有多個具有大量大質(zhì)量恒星的星團，大質(zhì)量恒星的壽命只有百萬年的量級，因此星團內(nèi)部充滿大量恒星生生死死的劇烈活動，具有復(fù)雜的強激波環(huán)境，是理想的宇宙線加速場所，被稱為“粒子天體物理實驗室”。

　　雪后的LHAASO一處探測器陣列。　中科院高能所 供圖

　　為何說開啟“超高能伽馬天文學(xué)”的新時代?

　　曹臻指出，銀河系內(nèi)的宇宙線加速器存在能量極限此前是個“常識”，從而預(yù)言的伽馬射線能譜在0.1拍電子伏以上有“截斷”現(xiàn)象，而LHAASO的新發(fā)現(xiàn)則完全突破這個“極限”，大多數(shù)源沒有截斷。

　　因此，這些發(fā)現(xiàn)正式開啟“超高能伽馬天文”觀測時代，表明年輕的大質(zhì)量星團、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體，將有助于破解宇宙線起源這個“世紀(jì)之謎”。

　　他表示，在LHAASO新發(fā)現(xiàn)基礎(chǔ)上，科學(xué)家們也需要重新認(rèn)識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機制，探索極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過程并在極端條件下檢驗基本物理規(guī)律。

　　LHAASO此次科學(xué)成果發(fā)現(xiàn)在宇宙線起源的研究進程上具有里程碑意義，可概括為三方面科學(xué)突破：

　　一是揭示銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^1PeV的宇宙加速器，突破了當(dāng)前流行的理論模型。LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)大量存在的PeV宇宙加速源，它們都是超高能宇宙線源的候選者。

　　二是隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預(yù)見這一探索極端宇宙天體物理現(xiàn)象的最高能量天文學(xué)研究，將展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知“超高能宇宙”。

　　三是能量超過1PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云，使得這個本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為超高能宇宙線源的最佳候選者，有望成為解開宇宙線起源“世紀(jì)之謎”的突破口。

　　LHAASO部分探測器陣列。　中科院高能所 供圖

　　核心科學(xué)目標(biāo)和技術(shù)創(chuàng)新有哪些?

　　LHAASO是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里，由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列(KM2A)、7.8萬平方米水切倫科夫探測器、18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的復(fù)合陣列，采用4種探測技術(shù)全方位、多變量測量宇宙線。

　　LHAASO的核心科學(xué)目標(biāo)就是探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究。廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源，精確測量它們從低于1TeV(1萬億電子伏，也稱“太電子伏”)到超過1PeV(1000萬億電子伏，也稱“拍電子伏”)寬廣能量范圍內(nèi)的能譜，測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線產(chǎn)生、加速和傳播的規(guī)律，探索新物理前沿。

　　在技術(shù)創(chuàng)新方面，LHAASO一是開發(fā)出遠距時鐘同步技術(shù)，確保整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水平;二是在高速前端信號數(shù)字化、高速數(shù)據(jù)傳輸、大型計算集群協(xié)助下滿足多種觸發(fā)模式并行等尖端技術(shù)要求;三是首次大規(guī)模使用硅光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進探測技術(shù)，大大提高伽馬射線測量的空間分辨率，實現(xiàn)更低的探測閾能。

　　通過持續(xù)創(chuàng)新，LHAASO使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，都達到前所未有的水平，為開展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿科學(xué)交叉研究提供重要實驗平臺，也是開展高水平國際合作研究的科學(xué)基地。

　　LHAASO地面簇射粒子陣列?！≈锌圃焊吣芩?供圖

　　LHAASO什么時候全部建成?

　　中科院高能所科普稱，中國的宇宙線實驗研究至今已經(jīng)歷三個發(fā)展階段：

　　1954年，中國第一個高山宇宙線實驗室在海拔3180米的云南東川落雪山建成。

　　1989年，在海拔4300米的西藏羊八井啟動中日合作的宇宙線實驗，并于2000年啟動中意ARGO—YBJ實驗。

　　2009年，北京香山科學(xué)會議上，曹臻提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構(gòu)想。目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實驗室。

　　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(zhì)、在地面進行觀測的手段，探測器規(guī)?？蛇h大于大氣層外的天基探測器。對于超高能量的宇宙線，這是唯一的觀測手段。

　　LHAASO主體工程于2017年開始建設(shè)，2019年4月完成1/4規(guī)模建設(shè)并投入科學(xué)運行，開啟邊建設(shè)、邊運行模式，2020年1月完成1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運行，同年12月完成3/4規(guī)模并投入運行。

　　LHAASO首席科學(xué)家、中科院高能所曹臻研究員介紹研究成果。中新社記者 孫自法 攝

　　曹臻表示，LHAASO按計劃2021年全部建成，成為國際領(lǐng)先的超高能伽馬探測裝置，LHAASO后續(xù)長期運行，將從多個方面展開宇宙線起源的探索性研究。