春节过后，甘孜州稻城县海拔4410米的海子山上，以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站(LHAASO，“拉索”)传来又一重大发现：在距离地球5000光年左右的天鹅座恒星形成区，发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构，是历史上首次找到能量高于1亿亿电子伏的宇宙线的起源天体。
2月26日，这一重大成果以封面文章的形式，发表在《Science Bulletin》(《科学通报》)上。该研究由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成，中国科学院院士、高能物理研究所研究员曹臻，高能物理研究所的博士研究生高川东、李骢副研究员，南京大学的柳若愚研究员，中国科学技术大学的杨睿智教授为论文的共同通讯作者。
以“膝”为标：“超出能量”宇宙线被银河系内天体加速
“这次拉索最大的发现是找到了一个类似于大球的泡泡。”中国科学院院士、高能物理研究所研究员曹臻说，此次的发现比此前都更为复杂，意味着人类首次看到了宇宙线的起源。
如何理解起源?那得从“终点”说起。
宇宙线是从外太空来的带电粒子，其主要成分为质子，它的起源是当代天体物理学最重大的前沿科学问题之一。测量发现，宇宙线的能谱(即宇宙线数量在粒子能量上的分布)在1千万亿电子伏附近呈现出一个拐折结构，因形状类似膝关节，而被称为宇宙线能谱的“膝”。
“这个转折，也就是‘膝’，意味着存在宇宙线加速质子能力不足的情况，被看作是银河系的尽头。”曹臻解释，能量比“膝”低的宇宙线，被认为起源于银河系内的天体，“膝”的存在也表明银河系大部分的宇宙线源加速质子的能量极限在1千万亿电子伏左右。“也就是说，科学家们认为超过‘膝’能量的宇宙线来自银河系外。”
然而，拉索此次在天鹅座恒星形成区发现的巨型超高能伽马射线泡状结构，内有多个能量超过1千万亿电子伏的光子分布其中，最高达到2千万亿电子伏。
“这是人类第一次在银河系找到能量超过‘膝’的宇宙线。”曹臻说，一般来说，产生能量为2千万亿电子伏的伽马光子，需要能量至少高10倍的宇宙线粒子。“这也说明，有天体把宇宙线能量加速到这么高能量。”
那是何种天体所为?
一直以来，科学家们都在寻找这一“说不清楚的存在”。曹臻说，两年内，关于一篇宇宙线起源的文章被引用超过380多次。短时间内次数之多，足以说明研究宇宙线的起源至关重要。
自2019年以来，随着观测数据的累积，关于宇宙线的数据变得越来越清晰，形态也越来越清楚。“通过数据来看，我们认为起源天体就是此次发现的‘泡泡’。”曹臻说。
以“泡”为核：人们认证的首个超级宇宙线加速源
曹臻摊开一幅图，图上显示了拉索看到的“泡泡”。通过图例知道，它的尺度要比太阳系大上千万倍。
“这是粗看，凑近点看，里面大有乾坤。”曹臻又拿出一张“近”图，图上有多个亮点，“一个亮点就有太阳那样大。”他马上强调，最吸引人的不是亮度，而是超高能伽马光子。这些光子几乎均匀分布在“泡泡”上，说明“泡泡”内部存在超级宇宙线加速器，以恒定的速度，源源不断地产生能量至少达到2亿亿电子伏的高能宇宙线粒子，并注入到星际空间。
让能量从“膝”以下，升高到“膝”的10倍，“泡泡”如何加速宇宙线?
“这与‘泡泡’的核心有关。”曹臻指着图片说，“泡泡”的中心是一个恒星形成区，也叫做大质量恒星星团(Cygnus OB2星协)，“你看，上面至少有三个红色的亮点，一定范围内有一个亮点就不得了，多个亮点意味着活动很激烈。”
有多激烈?
据介绍，星协是由很多表面温度超过约3万5千度的恒星(O型星)和表面温度超过约1万5千度的恒星(B型星)组成的密集星团，这类恒星一般年轻、炽热且质量大。
“这意味着这些恒星的辐射强度是太阳的百倍至百万倍。”曹臻说，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。对外，星风与周围星际介质进行碰撞;对内，在狭小的空间中，星风互相猛烈碰撞，内外碰撞一起产生了强激波、强湍流的极端环境，这就形成了强大的粒子加速器，也是迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源。
“加速器形成后，以质子为主的微观粒子被加速到极高的能量，就是我们在地球上观测到的宇宙线。”曹臻阐释，在星际磁场的作用下，超高能宇宙线从加速区域传播到星际空间，与星际空间中的静止质子发生碰撞，产生高能伽马射线，高能伽马射线光子传播到地球，次级粒子被拉索观测记录下来，科学家们从而重建得到了伽马射线图像。
“此次找到的‘泡泡’好比银河系的小中心，是人类最有希望搞清楚宇宙线起源的天体。”科学家们认为，随着观测时间的增加，拉索将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，众多“泡泡”一起，或将最终解决银河系宇宙线起源之谜。
拉索刷新认知，带来更多发现
此外，还有一个重要发现同步诞生——宇宙线的扩散速度要远比原来认为的慢。
科学家们解释，原本以为宇宙线的空间很空，一注入银河系便会“跑掉”。但现在被拉索“看到了”，证明它不是一下子跑掉，而是慢慢扩散、弥漫开来，扩散速度比以往想象的至少要慢上100倍。“拉索不断刷新我们的认知，对我们认识宇宙线的传播过程起到了启发作用，因为这种慢慢扩散行为很有可能也代表了银河系的扩散行为。”
“‘泡泡’所影响的空间范围，甚至远超目前观测到的‘泡泡’尺度，这为拉索此前探测到的银河系弥散伽马射线辐射的超出提供了一种可能的解释。”曹臻补充说。
据介绍，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，是由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及由18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。
拉索于2021年7月建成并开始高质量稳定运行，是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置，由中国科学院高能物理研究所承担运行，采用通用的国际合作模式，实现设施平台与观测数据的开放共享，目前已有32个国内外天体物理研究机构成为拉索的国际合作组成员单位，成员约280人。
|
