日前，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，“拉索”）國際合作組宣布，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。中國科學(xué)院院士、高能物理研究所研究員曹臻，高能物理研究所的博士研究生高川東、李驄副研究員，南京大學(xué)的柳若愚研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的楊睿智教授為論文的共同通訊作者。
宇宙線是從外太空來的帶電粒子，其主要成分為質(zhì)子。1912年，奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線。此后的100年間，與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了6枚諾貝爾獎(jiǎng)牌，但人類卻始終沒有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。“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(xué)家的問題。”曹臻說。
2004年，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)研究確定了新世紀(jì)科學(xué)研究的11個(gè)世紀(jì)謎題，宇宙線起源及其加速機(jī)制名列其中。
此前，測量發(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)，因其形狀類似膝關(guān)節(jié)而被稱為宇宙線能譜的“膝”?？茖W(xué)家們認(rèn)為，能量比“膝”低的宇宙線起源于銀河系內(nèi)的天體，而“膝”的存在也表明銀河系大部分的宇宙線源加速質(zhì)子的能量極限在1千萬億電子伏左右。然而，究竟何種天體能把宇宙線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，也是近年來宇宙線研究中最引人關(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。一般來說，產(chǎn)生能量為2千萬億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。因此，這表明泡內(nèi)部存在超級(jí)宇宙線加速器，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粒子，并注入到星際空間。
曹臻說：“這些高能宇宙線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)目與周圍氣體的分布呈現(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)宇宙線加速器最可能的對(duì)應(yīng)天體。”
為什么會(huì)有這樣的判斷？
曹臻進(jìn)一步解釋說，星協(xié)是由很多表面溫度超過約3萬5千度的恒星（O型星）和表面溫度超過約1萬5千度的恒星（B型星）這類年輕、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)度是太陽的百倍至百萬倍，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)與周圍星際介質(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。”
科研團(tuán)隊(duì)表示，這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，隨著觀測時(shí)間的增加，拉索將可能探測到更多的千萬億電子伏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(jù)觀測推斷出泡內(nèi)超級(jí)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(nèi)宇宙線的平均水平。
“其所影響的空間范圍甚至遠(yuǎn)超目前觀測到的氣泡尺度，為拉索此前探測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。”曹臻說。
拉索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)電磁粒子探測器和1188個(gè)繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米水切倫科夫探測器陣列以及由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，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置。設(shè)施的運(yùn)行由中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)，采用通用的國際合作模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)施平臺(tái)與觀測數(shù)據(jù)的開放共享。目前，已有32個(gè)國內(nèi)外天體物理研究機(jī)構(gòu)成為拉索的國際合作組成員單位，成員約280人。
責(zé)任編輯：陳曉芳
