春節過後，四川省甘孜州稻城縣海拔4410米的海子山上，以宇宙線觀測研究為(wei) 核心的國家重大科技基礎設施——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，拉索）傳(chuan) 來又一重大發現：在距離地球5000光年左右的天鵝座恒星形成區，發現一個(ge) 巨型超高能伽馬射線泡狀結構，是曆史上首次找到能量高於(yu) 1億(yi) 億(yi) 電子伏的宇宙線的起源天體(ti) 。

　　2月26日，這一重大成果以封麵文章形式，發表在《Science Bulletin》（《科學通報》）上。該研究由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。中國科學院院士、高能物理研究所研究員曹臻，山東(dong) 大學和高能物理研究所聯合培養(yang) 博士研究生高川東(dong) ，高能物理研究所副研究員李驄，南京大學天文與(yu) 空間科學學院研究員柳若愚，中國科學技術大學教授楊睿智為(wei) 論文的共同通訊作者。

　　以“膝”為(wei) 標：“超出能量”宇宙線被銀河係內(nei) 天體(ti) 加速

　　“這次拉索最大的發現是找到一個(ge) 類似於(yu) 大球的泡泡。”曹臻說，此次的發現比以前每次的發現都更為(wei) 複雜，意味著人類首次看到宇宙線的起源。

　　如何理解起源？那得從(cong) “終點”說起。宇宙線是從(cong) 外太空來的帶電粒子，其主要成分為(wei) 質子，它的起源是當代天體(ti) 物理學最重大的前沿科學問題之一。測量發現，宇宙線的能譜（即宇宙線數量在粒子能量上的分布）在1千萬(wan) 億(yi) 電子伏附近呈現出一個(ge) 拐折結構，因形狀類似膝關(guan) 節，被稱為(wei) 宇宙線能譜的“膝”。

　　“這個(ge) 轉折，也就是‘膝’，意味著存在宇宙線加速質子能力不足的情況，被看作是銀河係的盡頭。”曹臻解釋，能量比“膝”低的宇宙線，被認為(wei) 起源於(yu) 銀河係內(nei) 的天體(ti) ，“膝”的存在也表明銀河係大部分的宇宙線源加速質子的能量極限在1千萬(wan) 億(yi) 電子伏左右。“也就是說，科學家們(men) 認為(wei) 超過‘膝’能量的宇宙線來自銀河係外。”

　　然而，拉索此次在天鵝座恒星形成區發現的巨型超高能伽馬射線泡狀結構，內(nei) 有多個(ge) 能量超過1千萬(wan) 億(yi) 電子伏的光子分布其中，最高達到2千萬(wan) 億(yi) 電子伏。

　　“這是人類第一次在銀河係找到能量超過‘膝’的宇宙線。”曹臻說，一般來說，產(chan) 生能量為(wei) 2000萬(wan) 億(yi) 電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。“這也說明，有天體(ti) 把宇宙線能量加速到這麽(me) 高。”

　　那是何種天體(ti) 所為(wei) ？一直以來，科學家們(men) 都在尋找這一“說不清楚的存在”。曹臻說，兩(liang) 年內(nei) ，關(guan) 於(yu) 一篇宇宙線起源的文章被引用超過380次。短時間內(nei) 次數之多，足以說明研究宇宙線的起源至關(guan) 重要。

　　自2019年以來，隨著觀測數據累積，關(guan) 於(yu) 宇宙線的數據變得越來越清晰，形態也越來越清楚。曹臻說：“通過數據來看，我們(men) 認為(wei) 起源天體(ti) 就是此次發現的‘泡泡’。”

　　以“泡”為(wei) 核：人們(men) 認證的首個(ge) 超級宇宙線加速源

　　曹臻攤開一幅圖，圖上顯示了拉索看到的“泡泡”。通過圖例知道，它的體(ti) 積要比太陽大上千萬(wan) 倍。

　　“這是粗看，湊近點看，裏麵大有乾坤。”曹臻又拿出一張“近”圖，圖上有多個(ge) 亮點，“一個(ge) 亮點就有太陽那麽(me) 大。”他馬上強調，最吸引人的不是亮度，而是超高能伽馬光子。這些光子幾乎均勻分布在“泡泡”上，說明“泡泡”內(nei) 部存在超級宇宙線加速器，以恒定的速度，源源不斷地產(chan) 生能量至少達到2億(yi) 億(yi) 電子伏的高能宇宙線粒子，並注入星際空間。

　　讓能量從(cong) “膝”以下，升高到“膝”的10倍，“泡泡”如何加速宇宙線？

　　“這與(yu) ‘泡泡’的核心有關(guan) 。”曹臻指著圖片說，“泡泡”的中心是一個(ge) 恒星形成區，也叫作大質量恒星星團（Cygnus OB2星協），“你看，上麵至少有3個(ge) 紅色的亮點。一定範圍內(nei) ，有一個(ge) 亮點就不得了，多個(ge) 亮點意味著活動很激烈。”

　　有多激烈？據介紹，星協是由很多表麵溫度超過約3.5萬(wan) 攝氏度的恒星（O型星）和表麵溫度超過約1.5萬(wan) 攝氏度的恒星（B型星）組成的密集星團。這類恒星一般年輕、熾熱且質量大。

　　“這意味著這些恒星的輻射強度是太陽的百倍至百萬(wan) 倍。”曹臻說，巨大的輻射壓將恒星表麵物質吹出，形成強烈的星風，速度可達每秒上千公裏。對外，星風與(yu) 周圍星際介質進行碰撞；對內(nei) ，在狹小空間中，星風互相猛烈碰撞，內(nei) 外碰撞一起產(chan) 生了強激波、強湍流的極端環境，這就形成強大的粒子加速器，也是迄今為(wei) 止人們(men) 能夠認證的第一個(ge) 超級宇宙線加速源。

　　“加速器形成後，以質子為(wei) 主的微觀粒子被加速到極高的能量，就是我們(men) 在地球上觀測到的宇宙線。”曹臻闡釋，在星際磁場作用下，超高能宇宙線從(cong) 加速區域傳(chuan) 播到星際空間，與(yu) 星際空間中的靜止質子發生碰撞，產(chan) 生高能伽馬射線。高能伽馬射線光子傳(chuan) 播到地球，次級粒子被拉索觀測記錄下來，科學家們(men) 從(cong) 而重建得到伽馬射線圖像。

　　“此次找到的‘泡泡’好比銀河係的小中心，是人類最有希望搞清楚宇宙線起源的天體(ti) 。”科學家們(men) 認為(wei) ，隨著觀測時間的增加，拉索將可能探測到更多千萬(wan) 億(yi) 電子伏乃至更高能量宇宙線的加速源，眾(zhong) 多“泡泡”一起，或將最終解決(jue) 銀河係宇宙線起源之謎。

　　拉索刷新認知，帶來更多發現

　　此外，還有一個(ge) 重要發現同步誕生——宇宙線的擴散速度遠比原來認為(wei) 的慢。

　　科學家們(men) 解釋，原本以為(wei) 宇宙線的空間很空，一注入銀河係便會(hui) “跑掉”。但現在被拉索“看到了”，證明它不是一下子跑掉，而是慢慢擴散、彌漫開來，擴散速度不及以往想象的1/100。“拉索不斷刷新我們(men) 的認知，對我們(men) 認識宇宙線的傳(chuan) 播過程起到啟發作用，因為(wei) 這種慢慢擴散行為(wei) 很有可能代表了銀河係的擴散行為(wei) 。”

　　“‘泡泡’所影響的空間範圍，甚至遠超目前觀測到的‘泡泡’尺度，這為(wei) 拉索此前探測到的銀河係彌散伽馬射線輻射的超出提供了一種可能的解釋。”曹臻補充說。

　　據介紹，拉索是由5216個(ge) 電磁粒子探測器和1188個(ge) 繆子探測器組成的一平方公裏地麵簇射粒子探測器陣列、7.8萬(wan) 平方米水切倫(lun) 科夫探測器陣列以及由18台廣角切倫(lun) 科夫望遠鏡組成的複合陣列。拉索於(yu) 2021年7月建成並開始高質量穩定運行，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置，由中國科學院高能物理研究所承擔運行，采用通用的國際合作模式，實現設施平台與(yu) 觀測數據開放共享。目前，已有32個(ge) 國內(nei) 外天體(ti) 物理研究機構成為(wei) 拉索的國際合作組成員單位，成員約280人。