圖為巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)模擬示意圖。中國科學(xué)院高能物理研究所供圖
核心閱讀
宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，攜帶著宇宙起源、天體演化等方面的重要科學(xué)信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑。我國高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”正是瞄準(zhǔn)這一重大科學(xué)難題建立的。日前，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的“拉索”國際合作組宣布，首次找到能量高于1億億電子伏特的宇宙線的起源天體。
日前，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”國際合作組宣布，在銀河系北部天區(qū)天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，歷史上首次找到能量高于1億億電子伏特的宇宙線的起源天體。
這是迄今為止人們能夠確認(rèn)的第一個(gè)超級(jí)宇宙線源。該成果于北京時(shí)間2月26日以封面文章的形式在《科學(xué)通報(bào)》上正式發(fā)表。
發(fā)現(xiàn)一個(gè)巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)
宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成，并包括少量電子和光子以及中微子，時(shí)刻存在于我們的星球之上。
1912年，奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線。此后的100年間，與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了多個(gè)諾貝爾獎(jiǎng)，但人類卻始終沒有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。2004年，美國國家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)研究確定了新世紀(jì)科學(xué)研究的11個(gè)世紀(jì)謎題，宇宙線起源及其加速機(jī)制名列其中。
“宇宙線來自哪里，它們是如何被加速到如此之高的能量，一直是困擾科學(xué)家的問題?！敝袊茖W(xué)院院士、高能物理研究所研究員曹臻說。
宇宙線來自哪里為何這么難以判斷？捕捉高能宇宙線極其不易，要根據(jù)獲得的這些少之又少的宇宙線粒子樣本確定它們來自何方，更是難上加難。因?yàn)橛钪婢€多為帶電粒子，會(huì)在傳播過程中被宇宙中無處不在的星際磁場(chǎng)所偏轉(zhuǎn)，等到達(dá)地球時(shí)早已失去了原初的方向信息，所以無法反推它源自何方。
“先前的研究表明，超新星爆發(fā)、黑洞爆發(fā)、巨大星系之間的碰撞等，都可能是我們要找的來源。到底誰才是真正的來源，還需要繼續(xù)尋找證據(jù)?！鳌敲闇?zhǔn)這一重大科學(xué)難題建立的?！辈苷檎f。
2020年，“拉索”找到了12顆超高能伽馬光子，有2顆來自位于銀河系北部天區(qū)最亮的天鵝座。其中，能量最高的一顆也在天鵝座，高達(dá)1.4千萬億電子伏特。此后，“拉索”又陸續(xù)在天鵝座里找到了另外7顆超高能光子，能量最高的一顆達(dá)到2千萬億電子伏特。
獲得了足夠多的超高能光子數(shù)據(jù)后，研究團(tuán)隊(duì)在天鵝座恒星形成區(qū)看到了一個(gè)巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)。
“這個(gè)泡狀結(jié)構(gòu)距我們約5000光年，尺度超過1000萬個(gè)太陽系，里面可以清楚地看到有多個(gè)能量超過1千萬億電子伏特的光子均勻分布其中，最高達(dá)到2千萬億電子伏特?！辈苷橹钢轄罱Y(jié)構(gòu)示意圖上的亮斑密集區(qū)域，“而且，這些代表超高能光子的亮斑清晰地分布在星際空間中氣體物質(zhì)密集的地方?！?/p>
合作組科研人員推斷：“這里就是宇宙線誕生的地方，而且是超級(jí)宇宙線加速源，宇宙線能量可高達(dá)1億億電子伏特以上。”
“拉索”的三大陣列互相配合，對(duì)宇宙線特征、起源等進(jìn)行精密分析
此次“拉索”在銀河系天鵝座區(qū)域內(nèi)發(fā)現(xiàn)的巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)有多個(gè)能量超過1千萬億電子伏特的光子。
團(tuán)隊(duì)成員、中國科學(xué)院高能物理研究所副研究員李驄說：“一般來說，產(chǎn)生能量為2千萬億電子伏特的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。因此，這表明泡狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部存在超級(jí)宇宙線加速器，源源不斷地產(chǎn)生能量至少達(dá)到2億億電子伏特的高能宇宙線粒子，并注入到星際空間?！毖芯勘砻?，位于泡狀結(jié)構(gòu)中心附近的大質(zhì)量恒星星團(tuán)是超級(jí)宇宙線源最可能的對(duì)應(yīng)天體。
宇宙線能量越高就越稀少，所以越大規(guī)模的探測(cè)器才越有可能捕捉到足夠多可供研究的高能宇宙線樣本。
高山實(shí)驗(yàn)是宇宙線觀測(cè)研究中能夠充分利用大氣作為探測(cè)介質(zhì)、在地面上進(jìn)行觀測(cè)的手段，探測(cè)器規(guī)?？蛇h(yuǎn)大于大氣層外的天基探測(cè)器。對(duì)于超高能量的宇宙線觀測(cè)，這是唯一手段?！袄鳌本褪侵袊牡谌呱接钪婢€實(shí)驗(yàn)室。
曹臻說：“宇宙線中的伽馬射線是能量很高的光子，它進(jìn)入地球大氣后會(huì)與大氣中的原子核發(fā)生碰撞，形成一系列新粒子，紛紛落到地面?！鳌?個(gè)不同類型的探測(cè)器陣列分別對(duì)這些落下的粒子進(jìn)行探測(cè)?！?/p>
據(jù)介紹，水切倫科夫探測(cè)器陣列專門用來探測(cè)能量較低的宇宙線，地面簇射粒子陣列主要用于探測(cè)能量稍高的宇宙線。而切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列將開展宇宙線能譜的高精度測(cè)量。“三大陣列互相配合，對(duì)宇宙線特征、起源等進(jìn)行精密分析和研究，最終有望破解宇宙線起源難題?！辈苷檎f。
“拉索”已規(guī)劃再建設(shè)32臺(tái)望遠(yuǎn)鏡
科研團(tuán)隊(duì)表示，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，“拉索”將可能探測(cè)到更多的千萬億電子伏特乃至更高能量宇宙線的加速源，有望解決銀河系宇宙線起源之謎。
此外，“拉索”還根據(jù)觀測(cè)推斷出，泡狀結(jié)構(gòu)內(nèi)部超級(jí)宇宙線加速器使得周邊星際空間的宇宙線密度顯著高于銀河系內(nèi)宇宙線的平均水平。
以往，天體物理學(xué)家認(rèn)為，星際空間很“空”，宇宙線一旦被注入星際空間，就會(huì)像墨汁滴進(jìn)清水一般迅速擴(kuò)散開。但此次“拉索”的研究結(jié)果顯示，宇宙線的擴(kuò)散速度只是原來想象的1/100。
南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院研究員柳若愚推斷，宇宙線的速度可能受到了星際磁場(chǎng)的影響，這意味著星際磁場(chǎng)的分布不僅不均勻，而且不規(guī)則程度極高。“‘拉索’的這次觀測(cè)結(jié)果也為天體物理學(xué)家建立新模型提供了線索?！绷粲拚f。
“拉索”是以宇宙線觀測(cè)研究為主的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，于2021年7月建成并開始高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置。設(shè)施的運(yùn)行由中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)，采用通用的國際合作模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)施平臺(tái)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的開放共享。目前，已有32個(gè)國內(nèi)外天體物理研究機(jī)構(gòu)成為“拉索”的國際合作組成員單位，成員約280人。
“未來，‘拉索’國際合作組還希望摸清與宇宙線起源相關(guān)的更基礎(chǔ)的問題。”曹臻說，為進(jìn)一步提升空間分辨能力，“拉索”已規(guī)劃再建設(shè)32臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，同時(shí)將聯(lián)合中國天眼、愛因斯坦探針衛(wèi)星等形成有組織的合作團(tuán)隊(duì)，合力深入探尋宇宙線的起源。
（責(zé)任編輯：梁艷）
晉公網(wǎng)安備 14090202000008號(hào) 
