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伽马|史上最高能 稻城捕捉到“天鹅座信使”

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成都商报-红星新闻采访人员从中国科学院高能物理研究所获悉 ， 位于四川稻城县的国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器 ， 并记录到最高1400万亿电子伏特（1.4PeV）的伽马光子 ， 这是人类观测到的最高能量光子 ， 改变了人类对银河系的传统认知 ， 开启 “超高能伽马天文学”的时代 。 这些发现于17日发表在《自然》（《Nature》）杂志上 。
据了解 ， 高海拔宇宙线观测站尚在建设中 ， 此次报道的成果是基于已经建成1/2规模的探测装置、2020年11个月的观测数据 。 科学家们发现了能量1400万亿电子伏特的光子 ， 来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区 。 还发现了12个稳定伽马射线源 ， 能量一直延伸到1000万亿电子伏特左右 ， 这是LHAASO发现的银河系内最明亮的一批伽马射线源 ， 测到的伽马光子信号高于周围背景7倍标准偏差以上 ， 源的位置测量精度优于0.3度 。
“这次观测积累的数据还很有限 ， 但所有能被LHAASO观测到的源 ， 它们都具有100万亿电子伏特以上的伽马辐射 ， 也叫‘超高能伽马辐射’ 。 ”中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心研究员、国家重大科技基础设施LHAASO项目经理兼首席科学家曹臻表示 。 这表明银河系内遍布拍电子伏特加速器 ， 而人类在地球上建造的最大加速器（欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC）只能将粒子加速到10万亿电子伏特左右 。
走近海拔4410米的观测站
中国力量 这样仰望星空
据了解 ， 高海拔宇宙线观测站（LHAASO）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 ， 占地面积约1.36平方公里 ， 由5195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阵列（简称KM2A）、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成复合阵列 ， 采用四种探测技术全方位、多变量测量宇宙线 。
LHAASO项目经理兼首席科学家曹臻说 ， 高海拔宇宙线观测站的核心科学目标就是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究 。 广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源 ， 精确测量它们的能谱 ， 揭示宇宙线产生、加速和传播的规律 ， 探索新物理前沿 。
据了解 ， 目前在建的LHAASO是我国第三代高山宇宙线实验 。 高山实验是宇宙线观测研究中能够充分利用大气作为探测介质、在地面进行观测的重要手段 。
西南交大20多人参与LHAASO项目
成都力量 填补一项国际空白
17日 ， 成都商报-红星新闻采访人员了解到 ， 西南交通大学有20多名师生参与LHAASO国际合作组 ， 是除高能物理研究所外参与人数最多的单位 。 那么 ， 在LHAASO项目中 ， 西南交大担任着什么样的角色呢？
据悉 ， 西南交大从1989年开始就参与西藏羊八井宇宙线观测实验 ， 是LHAASO项目建设的核心单位之一 。 其承担了WFCTA激光标定和大气监测系统的建设任务 ， 完成了3套激光标定系统的远程控制运行设计 ， 编写并不断完善值班人员远程运行该系统手册 。 该系统于2020年10月份成功运行 ， 实现了对LHAASO-WFCTA的绝对标定和大气监测 ， 填补了国际上在海拔4400米运用激光光束标定宇宙线探测器的空白 。
值得一提的是 ， 在原初粒子诱发的簇射粒子中 ， 谬子探测器和电磁粒子探测器作为本次LHAASO项目重要成果的记录者 ， 西南交大参与了其中的设计研制、安装运行、性能测试等工作；在宇宙线的物理分析方面 ， 西南交大参与了利用KM2A进行宇宙线的轻成份谱、重核能谱的研究工作 。
“信使”带来了什么？
宇宙线 ， 是地球的天外来客 ， 被称作“银河陨石” ， 是传递宇宙大事件的“信使” 。 中国科学院高能物理研究所研究员、LHAASO项目经理兼首席科学家曹臻 ， 正是宇宙线观测领域的研究者 。 他表示 ， LHAASO此次科学发现在宇宙线起源的研究进程上具有里程碑意义 ， 其科学突破在于几个方面——
颠覆认知
宇宙线加速器
“能量极限”被突破
银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识” ， 过去预言的极限就在100万亿电子伏特左右 ， 从而预言的伽马射线能谱在100万亿电子伏特以上有“截断”现象 。 LHAASO的发现完全突破了这个“极限” ， 大多数源没有截断 。 这些发现开启 “超高能伽马天文”观测时代 ， 表明以天鹅座恒星形成区、蟹状星云等为代表的非热辐射天体 ， 即年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体 ， 有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜” 。科学家们也需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制 ， 探索极端天体现象及其相关的物理过程并在极端条件下检验基本物理规律 。
载入史册
“伽马天文学”迎来超高能时代
同时 ， 此次研究成果开启“超高能伽马天文学”时代 。 曹臻表示 ， 1989年 ， 亚利桑那州惠普尔天文台的实验组成功发现了首个具有100万亿电子伏特以上伽马辐射的天体 ， 标志着“甚高能”伽马射线天文学时代的开启 。 在随后的30年里 ， 已经发现超过两百个“甚高能”伽马射线源 。 直到2019年人类才探测到首个具有“超高能”伽马射线辐射的天体 。 出人意料的是 ， 仅基于1/2规模的LHAASO不到1年的观测数据 ， 就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个 。 “随着LHAASO的建成和持续不断的数据积累 ， 可以预见这一探索极端宇宙天体物理现象的最高能量天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知‘超高能宇宙’ 。 ”曹臻告诉采访人员 。
世纪突破
天鹅座恒星形成区或是宇宙线起源
此外 ， 此次研究成果也是能量超过1000万亿电子伏特的伽马射线光子首现于天鹅座区域和蟹状星云 。 天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮区域 ， 拥有多个具有大量大质量恒星的星团 ， 大质量恒星的寿命只有百万年的量级 ， 因此星团内部充满大量恒星生生死死的剧烈活动 ， 具有复杂的强激波环境 ， 是理想的宇宙线加速场所 ， 被称为“粒子天体物理实验室” 。 “LHAASO在天鹅座恒星形成区首次发现1400万亿电子伏特的伽马光子 ， 使得这个本来就备受关注的区域成为超高能宇宙线源的最佳候选者 ， 也就自然是LHAASO以及相关的多波段观测、乃至于多信使天文学的巨大热门 ， 有望成为解开‘世纪之谜’的突破口 。 ”曹臻表示 。
【伽马|史上最高能 稻城捕捉到“天鹅座信使”】成都商报-红星新闻采访人员 彭祥萍 许雯 张瑾 图据中国科学院高能物理研究所

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