5月17日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）”發(fā)布最新成果：在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到能量達(dá)1.4拍電子伏(PeV)的伽馬光子（拍=千萬億），這是人類觀測(cè)到的最高能量光子，突破了人類對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。

這次報(bào)道的成果是基于已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測(cè)裝置不到一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)，把人類2019年才首次探測(cè)到“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個(gè)，突破了過去對(duì)銀河系內(nèi)的宇宙線加速器極限就在拍電子伏附近的預(yù)言，開啟了“超高能伽馬天文”觀測(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)加速超高能宇宙線的最佳候選天體，有助于破解宇宙線起源這個(gè)“世紀(jì)之謎”。LHAASO的結(jié)果表明，科學(xué)家們需要重新認(rèn)識(shí)銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機(jī)制，進(jìn)一步研究極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過程，并在極端條件下檢驗(yàn)基本物理規(guī)律。

該研究工作由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國(guó)際合作組完成，這些發(fā)現(xiàn)將于北京時(shí)間2021年5月17日23時(shí)發(fā)表在《自然》（Nature）。

由于“拍電子伏宇宙加速器（PeVatron）”周圍產(chǎn)生的“超高能伽馬光子”信號(hào)非常弱，即便是天空最為明亮且被稱為“伽馬天文標(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云，發(fā)射出來的能量超過1 PeV的光子在一年內(nèi)落在一平方公里的面積上也就1到2個(gè)，而這1到2個(gè)光子還被淹沒在幾萬個(gè)通常的宇宙線事例之中。LHAASO的平方公里探測(cè)陣列內(nèi)的1188個(gè)繆子探測(cè)器專門用于排除非光子信號(hào)，使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)器。借助這前所未有的靈敏度，1/2規(guī)模的LHAASO探測(cè)裝置僅用了11個(gè)月就探測(cè)到并證認(rèn)了來自蟹狀星云的約1 PeV的伽馬光子。不僅如此，LHAASO探測(cè)裝置還在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個(gè)類似的源，他們都具有超高能光子輻射，其能譜穩(wěn)定地延伸到PeV附近，其中探測(cè)到的伽馬光子的最高能量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.4 PeV。

“這表明銀河系內(nèi)大量存在可將宇宙線加速到1PeV的‘拍電子伏特宇宙線加速器’，它們都是超高能宇宙線源的候選者，這就向著解決宇宙線起源這一科學(xué)難題邁出了重要一步?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克芯繂T曹臻說。

由此可見，LHAASO的此次科學(xué)成果在宇宙線起源的研究進(jìn)程中具有里程碑意義，具體來說有以下三個(gè)方面的科學(xué)突破：

1） 揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^1 PeV的宇宙加速器。

人類在地球上建造的最大加速器（歐洲核子研究中心的LHC）只能將粒子加速到0.01拍電子伏。銀河系內(nèi)的宇宙線加速器存在能量極限是個(gè)“常識(shí)”，過去預(yù)言的極限就在拍電子伏附近，從而預(yù)言的伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近會(huì)有“截?cái)唷爆F(xiàn)象。

此次LHAASO的觀測(cè)結(jié)果突破了當(dāng)前流行的理論模型所宣稱的銀河系宇宙線加速PeV能量極限。同時(shí)，LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)大量存在PeV宇宙加速源，也向著解決宇宙線起源這一科學(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步。

2）開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預(yù)見這一最高能量的天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個(gè)充滿新奇現(xiàn)象的未知的“超高能宇宙”，為探索宇宙極端天體物理現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù)。

由于宇宙大爆炸產(chǎn)生的背景輻射無所不在，它們會(huì)吸收高于1 PeV的伽馬射線。到了銀河系以外，即使產(chǎn)生了PeV伽馬射線，由于背景輻射光子的嚴(yán)重吸收，我們也接受不到這些PeV伽馬射線。LHAASO打開銀河系PeV輻射探測(cè)窗口，對(duì)于研究遙遠(yuǎn)的宇宙也具有特殊意義。

3）PeV光子的探測(cè)是伽馬天文學(xué)的一座里程碑，承載著伽馬天文界的夢(mèng)想，長(zhǎng)期以來一直是伽馬天文發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。此次發(fā)現(xiàn)中，能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云，研究意義重大。

天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮的區(qū)域，擁有多個(gè)大質(zhì)量恒星星團(tuán)，大質(zhì)量恒星的壽命只有幾百萬年，因此星團(tuán)內(nèi)部充滿了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，是理想的宇宙線加速場(chǎng)所，被稱為“粒子天體物理實(shí)驗(yàn)室”。LHAASO在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)PeV伽馬光子，使得這個(gè)本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區(qū)。這個(gè)區(qū)域?qū)⑹荓HAASO以及相關(guān)的多波段、多信使天文觀測(cè)設(shè)備關(guān)注的焦點(diǎn)，有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。

歷史上對(duì)蟹狀星云大量的觀測(cè)研究，使之成為幾乎唯一具有清楚輻射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)伽馬射線源，跨越22個(gè)量級(jí)的光譜精確測(cè)量清楚地表明其電子加速器的標(biāo)志性特征。然而，LHAASO測(cè)到的超高能光譜，特別是PeV能量的光子，嚴(yán)重挑戰(zhàn)了這個(gè)高能天體物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，甚至于對(duì)更加基本的電子加速理論提出了挑戰(zhàn)。

高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）是以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里，目前仍處在建設(shè)中。計(jì)劃于2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為國(guó)際領(lǐng)先的超高能伽馬探測(cè)裝置，投入長(zhǎng)期運(yùn)行，從多個(gè)方面展開宇宙線起源的探索性研究。

在此次的成果發(fā)現(xiàn)中，LHAASO開發(fā)了遠(yuǎn)距時(shí)鐘同步技術(shù)、多種觸發(fā)模式并行等尖端技術(shù)、硅光電管的首次大規(guī)模使用、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進(jìn)探測(cè)技術(shù)，大大提高了伽馬射線測(cè)量的空間分辨率，達(dá)到了更低的探測(cè)閾能，使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，都達(dá)到前所未有的水平。LHAASO也為開展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿交叉科學(xué)研究提供了重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并成為多邊國(guó)際合作共同開展高水平研究的科學(xué)基地。