國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器，并記錄到最高1.4拍電子伏伽馬光子（拍=千萬億），這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系的傳統認知，開啟“超高能伽馬天文學”時代。這些發現于2021年5月17日發表在《Nature》（《自然》）。該研究工作由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。

高海拔宇宙線觀測站尚在建設中，這次報道的成果是基于已經建成的1/2規模探測裝置，在2020年內 11個月的觀測數據。科學家發現最高能量的光子來自天鵝座內非常活躍的恒星形成區，還發現了12個穩定伽馬射線源，光子能量一直延伸到1 拍電子伏附近，這是位于LHAASO視場內最明亮的一批銀河系伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高于背景7倍標準偏差以上，源的位置測量精度優于0.3°。雖然這次使用的數據還很有限，但所有能被LHAASO觀測到的源，它們都具有0.1拍電子伏以上的伽馬輻射，也叫“超高能伽馬輻射”。這表明銀河系內遍布拍電子伏加速器，而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。銀河系內的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”，過去預言的極限就在拍電子伏附近，從而預言的伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近會有“截斷”現象，LHAASO的結果完全突破了這個“極限”。這些發現開啟了 “超高能伽馬天文”觀測時代，表明年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系內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“世紀之謎”。LHAASO的結果表明，科學家們需要重新認識銀河系高能粒子的產生、傳播機制，進一步研究極端天體現象及其相關的物理過程，并在極端條件下檢驗基本物理規律。

《自然》物理科學總編Karl Ziemelis（卡爾?澤梅里斯）

點評論文《Ultrahigh-energy photons up to 1.4petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources”》

宇宙射線是一些帶電粒子，在宇宙中以接近光速的速度飛行。它們的速度如此之快，以至于其中一些粒子所攜帶的能量十分巨大，例如，比地球上的科學家在大型強子對撞機上加速粒子所能達到的能量值還要高出100倍以上。

我們為這種驅動宇宙粒子加速從而成為蘊含極大能量宇宙射線的天體起了一個名字，拍電子伏特宇宙線加速器，即PeVatron。它們在哪里，它們是什么，我們依舊沒有答案，但這篇論文為我們提供了一些重要的線索。

追蹤這些高能量宇宙射線并非易事，因為太空中的磁場會讓粒子的行進路線扭曲、彎折，所以當偵測到有這樣的射線抵達地球時，我們或許可以確定它到達的方向，但這個方向卻未必與其出發方向一致。

不過，我們已知宇宙射線在其加速器附近會產生γ射線，所以或許尋找這種高能γ射線可以為尋找這些神秘的PeVatron指明方向。

這就是曹臻和同事們在這個新研究中所做的工作。他們報告了檢測到的12個超高能γ射線光子源，其中的每一個都代表著銀河系中一個潛在的PeVatron。盡管這些光子源中大部分尚未找到準確位置，但作者確認了其中一個就位于著名的超新星遺跡蟹狀星云中。

這些激動人心的發現盡管還很初步，但卻是因為部分建成的中國高海拔宇宙線觀測站的觀測工作才成為可能。未來待觀測站全部完工后，相信還會發現更多這樣的光子源。

不過我們已經可以肯定銀河系中存在PeVatron，這些發現讓我們離了解高能宇宙射線起源又近了一步。

高海拔宇宙線觀測站及其核心科學目標

高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，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，是由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列（簡稱KM2A）、78000平方米水切倫科夫探測器、18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的復合陣列。LHAASO采用這四種探測技術，可以全方位、多變量地測量宇宙線。

高海拔宇宙線觀測站的核心科學目標是：探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化和高能天體活動，并尋找暗物質；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線源，精確測量它們從低于1TeV（1萬億電子伏，也叫“太電子伏”）到超過1 PeV（1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”）的寬廣能量范圍內的能譜；測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線加速和傳播的規律，探索新物理前沿。

拍電子伏宇宙加速器和PeV光子

“拍電子伏宇宙加速器（PeVatron）”周圍產生的“超高能伽馬光子”信號非常弱，即便是天空最為明亮且被稱為“伽馬天文標準燭光”的蟹狀星云，發射出來的能量超過1 PeV的光子在一年內落在一平方公里的面積上也就1到2個，而這1到2個光子還被淹沒在幾萬個通常的宇宙線事例之中。LHAASO的平方公里探測陣列內的1188個繆子探測器專門用于排除非光子信號，使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測器。借助這前所未有的靈敏度，1/2規模的KM2A僅用了11個月就探測到并證認了來自蟹狀星云的約1 PeV的伽馬光子。不僅如此，KM2A還在銀河系內發現了12個類似的源，他們都具有超高能光子輻射，其能譜穩定地延伸到PeV附近，其中探測到的伽馬光子的最高能量達到創紀錄的1.4 PeV。由此可見， LHAASO的此次科學成果在宇宙線起源的研究進程中具有里程碑意義。具體來說有以下三個方面的科學突破：

1）揭示了銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1 PeV的宇宙加速器。在這次觀測中，LHAASO所能夠有效觀測到的伽馬射線源中（觀測中超過5倍標準偏差的超出視為有效觀測），幾乎所有的輻射能譜都穩定延伸到幾百TeV且沒有明顯截斷，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過1 PeV。這突破了當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，LHAASO發現銀河系內大量存在PeV宇宙加速源，也向著解決宇宙線起源這一科學難題邁出了至關重要的一步。

2）開啟“超高能伽馬天文學”時代。1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺成功發現了首個具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體，標志著“甚高能”伽馬射線天文學時代的開啟，在隨后的30年里，已經發現兩百多個“甚高能”伽馬射線源。直到2019年,人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。出人意料的是，僅基于1/2規模不到1年的觀測數據，LHAASO就將“超高能”伽馬射線源數量提升到了12個。

隨著LHAASO的建成和持續不斷的數據積累，可以預見這一最高能量的天文學研究將給我們展現一個充滿新奇現象的未知的“超高能宇宙”，為探索宇宙極端天體物理現象提供豐富的數據。由于宇宙大爆炸產生的背景輻射無所不在，它們會吸收高于1 PeV的伽馬射線。到了銀河系以外，即使產生了PeV伽馬射線，由于背景輻射光子的嚴重吸收，我們也接受不到這些PeV伽馬射線。LHAASO打開銀河系PeV輻射探測窗口，對于研究遙遠的宇宙也具有特殊意義。

3）能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現天鵝座區域和蟹狀星云。PeV光子的探測是伽馬天文學的一座里程碑，承載著伽馬天文界的夢想，長期以來一直是伽馬天文發展的強大驅動力。事實上，上個世紀80年代伽馬天文學爆發式發展的一個重要動機就是挑戰PeV光子極限。天鵝座恒星形成區是銀河系在北天區最亮的區域，擁有多個大質量恒星星團，大質量恒星的壽命只有幾百萬年，因此星團內部充滿了恒星生生死死的劇烈活動，具有復雜的強激波環境，是理想的宇宙線加速場所，被稱為“粒子天體物理實驗室”。

LHAASO在天鵝座恒星形成區首次發現PeV伽馬光子，使得這個本來就備受關注的區域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區。這個區域將是LHAASO以及相關的多波段、多信使天文觀測設備關注的焦點，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。

歷史上對蟹狀星云大量的觀測研究，使之成為幾乎唯一具有清楚輻射機制的標準伽馬射線源，跨越22個量級的光譜精確測量清楚地表明其電子加速器的標志性特征。然而，LHAASO測到的超高能光譜，特別是PeV能量的光子，嚴重挑戰了這個高能天體物理的“標準模型”，甚至于對更加基本的電子加速理論提出了挑戰。

技術創新

LHAASO開發了遠距時鐘同步技術，確保整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水平；在高速前端信號數字化、高速數據傳輸、大型計算集群協助下滿足了多種觸發模式并行等尖端技術要求；首次大規模使用硅光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進探測技術，大大提高了伽馬射線測量的空間分辨率，達到了更低的探測閾能，使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，都達到前所未有的水平。LHAASO也為開展大氣、環境、空間天氣等前沿交叉科學研究提供了重要實驗平臺，并成為多邊國際合作共同開展高水平研究的科學基地。

中國的宇宙線研究發展歷程

中國的宇宙線實驗研究經歷了三個階段，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實驗室。高山實驗能夠充分利用大氣作為探測介質，在地面進行觀測，探測器規模可遠大于大氣層外的天基探測器。由于超高能量宇宙線數量稀少，這是唯一的觀測手段。1954年，中國第一個高山宇宙線實驗室在海拔3180米的云南東川落雪山建成。1989年，在海拔4300米的西藏羊八井啟動了中日合作的宇宙線實驗；2000年，啟動中意ARGO實驗。2009年，在北京香山科學會議上，曹臻研究員提出在高海拔地區建設大型復合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構想。LHAASO的主體工程于2017年開始建設，2019年4月完成1/4的規模建設并投入科學運行。2020年1月，LHAASO完成了1/2規模的建設并投入運行，同年12月完成3/4規模并投入運行。2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為國際領先的超高能伽馬探測裝置，投入長期運行，從多個方面展開宇宙線起源的探索性研究。