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一個(gè)宇宙線(xiàn)粒子與空氣核碰撞產(chǎn)生大量次級(jí)粒子的過(guò)程示意及高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站LHAASO規(guī)劃圖作者供圖

LHAASO是目前和未來(lái)20年內(nèi)最強(qiáng)的超高能伽馬射線(xiàn)探測(cè)裝置，部分陣列近1年觀(guān)測(cè)已經(jīng)接連取得突破性進(jìn)展，未來(lái)有望帶領(lǐng)我們揭開(kāi)銀河系內(nèi)宇宙線(xiàn)起源這一世紀(jì)之謎，并在超高能伽馬波段這一最高能量電磁波窗口探索浩瀚宇宙。

浩瀚宇宙，渺渺星空，在空蕩蕩的星際空間，有許多肉眼不可見(jiàn)的微觀(guān)高能粒子在以接近光速飛行。平均而言，這些粒子可以在銀河系內(nèi)飛行百萬(wàn)年，其中有極少部分粒子與地球不期而遇，成為地球上神秘的“天外來(lái)客”。

1911年，奧地利物理學(xué)家赫斯乘坐氣球，飛行到5千米的高空，首次發(fā)現(xiàn)這位來(lái)自宇宙的“客人”，這位“客人”被命名為“宇宙線(xiàn)”，赫斯也因宇宙線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)獲得了1936年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了人類(lèi)探索宇宙奧秘的新篇章。

近日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站拉索（LHAASO）正式通過(guò)性能工藝驗(yàn)收，這標(biāo)志著拉索已經(jīng)建成，并正式進(jìn)入科學(xué)運(yùn)行階段。建在4000米高海拔山端的拉索，以探索高能宇宙線(xiàn)起源以及相關(guān)的高能天體演化和暗物質(zhì)研究為核心科學(xué)目標(biāo)，正式開(kāi)始科學(xué)運(yùn)行后每天可以積累1.7億個(gè)超高能宇宙線(xiàn)事例和20多億個(gè)甚高能宇宙線(xiàn)事例。

什么是宇宙線(xiàn)？

赫斯是通過(guò)宇宙線(xiàn)在空氣中產(chǎn)生的電離效應(yīng)來(lái)證明其存在的，隨后產(chǎn)生的首個(gè)問(wèn)題就是宇宙線(xiàn)是什么粒子，這個(gè)問(wèn)題困擾了人類(lèi)很長(zhǎng)時(shí)間。

剛開(kāi)始，大多數(shù)人誤認(rèn)為它是來(lái)自宇宙的一種遠(yuǎn)高于X射線(xiàn)的高頻電磁輻射，“宇宙線(xiàn)（即宇宙射線(xiàn)）”這個(gè)名字就是美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根在1925年首次提出，雖然這是當(dāng)時(shí)對(duì)宇宙線(xiàn)的一種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，但是這個(gè)名字一直沿用至今。

1932年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓組織了大量人力對(duì)地球上不同地理緯度的宇宙線(xiàn)強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了地球磁場(chǎng)對(duì)宇宙線(xiàn)強(qiáng)度的調(diào)制效應(yīng)，判定原初的宇宙線(xiàn)是帶電粒子，而不是光子。

如今，人類(lèi)可以利用先進(jìn)的粒子鑒別技術(shù)，搭載高空氣球、衛(wèi)星或空間站到大氣層頂部直接測(cè)定宇宙線(xiàn)的種類(lèi)，知道了宇宙線(xiàn)主要是由帶正電的原子核組成，其中含量最高的是質(zhì)子（即氫原子核），還有元素周期表中的多種原子核，還包含少量光子、電子、中微子以及反粒子等。

在人造粒子加速器誕生之前的時(shí)代，宇宙線(xiàn)是唯一的高能粒子源，是人類(lèi)研究高能微觀(guān)粒子與物質(zhì)相互作用規(guī)律的唯一工具。20世紀(jì)60年代，人造加速器的發(fā)展和粒子對(duì)撞機(jī)的出現(xiàn)，讓宇宙線(xiàn)在粒子物理中的作用被取代，宇宙線(xiàn)的研究也逐漸轉(zhuǎn)向粒子天體物理方面。

宇宙線(xiàn)源自何方？

迄今為止，人們觀(guān)測(cè)到的宇宙線(xiàn)粒子的最高能量已達(dá)到1020電子伏特（eV），是人類(lèi)最大的粒子加速器——?dú)W洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能加速粒子能量的1000萬(wàn)倍。這么高能量的宇宙線(xiàn)起源于什么天體？它們是如何被加速到極端高的能量的？這些問(wèn)題長(zhǎng)期推動(dòng)著人類(lèi)去探索宇宙和大自然的奧秘，其中最基本最核心的問(wèn)題是起源問(wèn)題，被稱(chēng)為“世紀(jì)之謎”。

宇宙線(xiàn)為帶電粒子，在傳播過(guò)程中會(huì)被宇宙空間中的磁場(chǎng)影響后偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)而失去源頭位置信息，所以通過(guò)宇宙線(xiàn)粒子探測(cè)并不能找到宇宙線(xiàn)的起源天體。宇宙線(xiàn)的能譜從1011eV到1020eV大體呈現(xiàn)為冪律形式，表現(xiàn)為非熱加速起源特性。中間有兩個(gè)明顯特征：在1015eV附近能譜變軟，呈現(xiàn)出“膝”形結(jié)構(gòu)；在1018eV附近能譜變硬，呈現(xiàn)出了“踝”形結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含關(guān)于宇宙線(xiàn)起源的重要信息。根據(jù)銀河系內(nèi)天體的尺度和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)宇宙線(xiàn)加速上限的估計(jì)，一般認(rèn)為，“膝”區(qū)能量及以下的宇宙線(xiàn)起源于銀河系內(nèi)的天體源，而“踝”區(qū)能量以上的宇宙線(xiàn)起源于銀河系外。

宇宙線(xiàn)的測(cè)量特征說(shuō)明其起源于非熱輻射過(guò)程，而且能量非常高。人類(lèi)根據(jù)對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為普通的恒星不可能把粒子加速到如此高的能量。因此，宇宙線(xiàn)的發(fā)源地必然進(jìn)行著極端劇烈的變化或者具備極端的物理?xiàng)l件。根據(jù)伽馬射線(xiàn)天文觀(guān)測(cè)結(jié)果，目前的候選天體主要有超新星及其遺跡星云、脈沖星及其風(fēng)云、年輕大質(zhì)量星團(tuán)、雙星系統(tǒng)、伽馬射線(xiàn)暴、活動(dòng)星系核等，這些候選源的共同特征是存在強(qiáng)激波。

如何探尋宇宙線(xiàn)？

高能伽馬天文、高能中微子天文、極高能宇宙線(xiàn)天文是尋找宇宙線(xiàn)起源的三大重要支柱。高能中微子和極高能宇宙線(xiàn)天體源的探測(cè)可以為宇宙線(xiàn)起源探索提供“一錘定音”的證據(jù)。

此外，伽馬射線(xiàn)是示蹤其父輩帶電粒子加速的重要探針，這些伽馬射線(xiàn)天體源為宇宙線(xiàn)起源天體的尋找提供了重要的候選天體。伽馬輻射存在兩種可能的起源：一是高能電子與低能光子逆康普頓散射過(guò)程產(chǎn)生，即輕子起源；二是高能強(qiáng)子宇宙線(xiàn)與周?chē)镔|(zhì)通過(guò)強(qiáng)子—強(qiáng)子相互作用的次級(jí)中性π介子衰變產(chǎn)生，即強(qiáng)子起源。

強(qiáng)子宇宙線(xiàn)在宇宙線(xiàn)占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)份額，宇宙線(xiàn)起源問(wèn)題的研究就是尋找強(qiáng)子宇宙線(xiàn)的起源天體。所以通過(guò)伽馬射線(xiàn)觀(guān)測(cè)尋找宇宙線(xiàn)起源的重點(diǎn)就是確定伽馬射線(xiàn)的輻射機(jī)制，排除輕子起源和尋找強(qiáng)子起源證據(jù)，但是這同時(shí)也是難點(diǎn)所在，因?yàn)榇蟛糠衷丛贕eV-TeV（1G=109，1T="1012"）能區(qū)，很難區(qū)分這兩種輻射機(jī)制，目前大部分伽馬射線(xiàn)源傾向于輕子源。

輕子輻射和強(qiáng)子輻射的一個(gè)區(qū)分點(diǎn)是在超高能區(qū)。高能電子在星際磁場(chǎng)與輻射場(chǎng)中的冷卻時(shí)標(biāo)隨能量升高而變短，100TeV以上存在Klein-Nishina高能壓低效應(yīng)，而強(qiáng)子源輻射的100TeV以上伽馬射線(xiàn)不存在這些問(wèn)題，因此超高能伽馬射線(xiàn)是目前通過(guò)伽馬射線(xiàn)確認(rèn)宇宙線(xiàn)起源的希望，而且可以直接解決能量達(dá)PeV（1P＝1015）量級(jí)的銀河宇宙線(xiàn)起源問(wèn)題，LHAASO就是為此目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。

拉索能做什么？

LHAASO作為近年來(lái)以宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，探測(cè)面積達(dá)到1.36平方千米，是國(guó)際同類(lèi)裝置西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)的20倍和美國(guó)HAWC實(shí)驗(yàn)的60倍。LHAASO在超高能區(qū)的靈敏度是國(guó)際同類(lèi)裝置10倍以上，同時(shí)也遠(yuǎn)高于下一代大型切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列，預(yù)計(jì)未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在超高能區(qū)保持國(guó)際領(lǐng)先。此外，LHAASO還是全球最靈敏的大視場(chǎng)甚高能伽馬射線(xiàn)探測(cè)裝置。

基于1/2陣列11個(gè)月數(shù)據(jù)，LHAASO取得了第一個(gè)突破性進(jìn)展，并于2021年5月17日發(fā)布在《自然》上，即發(fā)現(xiàn)了12個(gè)高顯著的穩(wěn)定超高能伽馬射線(xiàn)源，其光子能譜一直延伸到1PeV附近未見(jiàn)明顯截?cái)?，從而確認(rèn)了銀河系內(nèi)首批PeV粒子宇宙加速器，并揭示PeV加速器在銀河系內(nèi)可能普遍存在。這些發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了超高能伽馬天文觀(guān)測(cè)時(shí)代，表明年輕的大質(zhì)量星團(tuán)、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系內(nèi)加速超高能宇宙線(xiàn)的最佳候選天體，為破解宇宙線(xiàn)起源這個(gè)世紀(jì)之謎指明了方向。

這次成果還包括記錄到迄今人類(lèi)觀(guān)測(cè)到的最高能量光子，能量達(dá)1.42±0.13PeV，該區(qū)內(nèi)部大量存在恒星生生死死的劇烈活動(dòng)，具有復(fù)雜的強(qiáng)激波環(huán)境，是理想的宇宙線(xiàn)加速場(chǎng)所。如果LHAASO未來(lái)進(jìn)行深入觀(guān)測(cè)，則有可能為強(qiáng)子輻射起源提供強(qiáng)有力證據(jù)，將成為解開(kāi)“世紀(jì)之謎”的突破口。

2021年7月9日，《科學(xué)》發(fā)布了LHAASO的第二個(gè)重要科學(xué)成果，測(cè)量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光蟹狀星云的最高能量端能譜，此次研究不但確認(rèn)了此范圍內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)幾十年的觀(guān)測(cè)結(jié)果，還將標(biāo)準(zhǔn)燭光的測(cè)量范圍由0.3PeV拓展至1.1PeV。

LHAASO預(yù)期每年可以記錄到1—2個(gè)來(lái)自蟹狀星云的PeV光子，未來(lái)幾年內(nèi)將可以探索更多關(guān)于PeV粒子加速的奧秘。

LHAASO是目前和未來(lái)20年內(nèi)最強(qiáng)的超高能伽馬射線(xiàn)探測(cè)裝置，部分陣列近1年觀(guān)測(cè)已經(jīng)接連取得突破性進(jìn)展，其全陣列已于2021年7月正式開(kāi)始運(yùn)行，未來(lái)有望帶領(lǐng)我們揭開(kāi)銀河系內(nèi)宇宙線(xiàn)起源這一“世紀(jì)之謎”，并在超高能伽馬波段這一最高能量電磁波窗口探索浩瀚宇宙。