“拉索”发现首个超级宇宙线源
“拉索”发现首个超级宇宙线源
随着观测时间增加，“拉索”有望解释银河系宇宙线起源之谜
中国科学院有关“拉索”新发现的介绍。中国科学院高能物理研究所供图
每年夏末秋初，天上都会有一只美丽的天鹅在夜空展翅，这是著名的天鹅座恒星区的标志，从古希腊时期就有着无数关于天鹅的美丽传说。最近，位于四川省稻城县的高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO），在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，并从中找到了能量高于1亿亿电子伏宇宙线起源的候选天体。这是迄今人类能够确认的第一个超级宇宙线源，可能蕴藏着宇宙线起源之谜。
该项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，高能物理研究所博士研究生高川东、研究员李骢副，南京大学研究员柳若愚，中国科学技术大学教授杨睿智为共同通讯作者的论文，以封面文章的形式发布在2月26日的《Science Bulletin》（《科学通报》）上。
“巨大泡泡”
能产生高能宇宙线粒子
2月22日，在中国科学院高能物理研究所召开的新闻发布会上，“拉索”首席科学家、中国科学院院士曹臻介绍了“拉索”的新发现。从现场展示的PPT中记者看到，这个位于天鹅座的巨大“泡泡”，由内到外呈现出亮白、桔红、红色。越往内部走，伽马射线的密度越高。而它的体积可能是太阳系的几千万倍。
曹臻院士介绍，“泡泡”的学名叫巨型超高能伽马射线泡状结构，其内部存在“超级宇宙线加速器”，能够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。这是迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源。
“宇宙线是从外太空来的带电粒子，主要成分为质子，携带着宇宙起源、天体演化等方面的重要科学信息。”柳若愚研究员说，探究宇宙线起源之谜是当代天体物理学的重大前沿科学问题之一，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，有望解释银河系宇宙线起源之谜。
强烈星风
成为强大的粒子加速器
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，所以“泡泡”内部的“超级宇宙线加速器”就显得格外神秘。
曹臻院士团队在采访中称，位于“泡泡”中心附近的大质量恒星星团（Cygnus OB2星协）是“超级宇宙线加速器”最可能的对应天体。星协是由很多表面温度超过约35000摄氏度的恒星（O型星）和表面温度超过约15000摄氏度的恒星（B型星）这类年轻、炽热的大质量恒星组成的密集星团。这些恒星的辐射强度是太阳的百倍至百万倍，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。星风与周围星际介质的碰撞以及星风之间的猛烈碰撞产生了强激波、强湍流的极端环境，成为强大的粒子加速器。
世界首次
看到“膝”以上宇宙线产生源
据介绍，“拉索”此次发现的巨型超高能伽马射线泡状结构，距我们约5000光年，尺度超过1000万个太阳系。泡状结构内有多个能量超过1千万亿电子伏的光子，最高达到2千万亿电子伏。
曹臻介绍，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，因其形状类似膝关节而被称为宇宙线能谱的“膝”。此前科学家们认为，能量比“膝”低的宇宙线起源于银河系内的天体，而“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。然而，在此次发现的泡状结构中，研究团队发现多个能量超过1千万亿电子伏的光子，最高达到2千万亿电子伏，远远超过“膝”的能量，这也是世界上第一次看到“膝”以上的宇宙线的产生源。
“拉索”威武
曾在2021年发现12个“信使”
这并不是“拉索”第一次“大显神威”，早在2021年，“拉索”就在11个月的时间里发现了12个超高能伽马射线源。这些来自遥远的银河系另一头的“信使”曾标志着“超高能伽马天文学”时代的到来。“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，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，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。设施的运行由中国科学院高能物理研究所承担，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”的国际合作组织成员单位，成员约280人。
华西都市报-封面新闻记者 张峥 实习生 刘涵