中国高海拔宇宙线观测站发现最高能量光子，开启“超高能伽马天文学”时代 | 独家解析|银河系|辐射|天鹅座
北京时间 2021年5 月 17 日上午 10 点，中国科学院高能物理研究所和 Springer Nature 联合发布了高海拔宇宙线观测站“拉索”（LHAASO） 的重大发现，即在银河系内发现了大量超高能宇宙加速器、以及人类可观测范围内的最高能量光子。
图 | 发布会（来源：中科院高能所）
本次发布会宣布了几件进程：第一，“拉索”已经基本建成，一边建设一边运行的模式结出了硕果；第二， “拉索”发现了 12 个 “拍电子伏加速器”；第三，“拉索”记录到了最高能量的光子 1.4 拍电子伏。
图 | “拉索”的三大突破（来源：本次发布会）
发布会还宣布了“拉索”的三大突破，其一揭示了银河系内普遍存在能够加速粒子超过 1PeV 的宇宙加速器；其二开启了 “超高能伽马天文学” 时代；其三 PeV 伽马光子首次出现天鹅座区域和蟹状云星，这意味着破解高能宇宙线起源的 “世界之谜” 出现了曙光。
图 | 高海拔宇宙线观测站“拉索”（来源：高海拔宇宙线观测站）
突破一：宇宙线起源 “世纪之谜” 有望被破解
谈及这一突破可带来的好处，中科院理论物理研究所研究员周宇峰告诉 DeepTech：“ 这是对高能宇宙线起源研究的一个重大突破，银河系内存在超过 PeV 宇宙线加速源以前只是理论上的猜测，现在'拉索’把它成为了观测事实，而且预计将来会有不断的新的源会被'拉索’观测到。”
中科院理论物理研究所研究员杨金民表示：“发现银河系内存在 PeV 的超高能伽马光子及其源，并且这么高能的光子应该是更高能的质子或者电子产生的，产生机制（加速机制）是粒子天体物理研究的课题。”
据了解，在本次观测积累的数据中，所有能被“拉索”观测到的伽马射线源，均具有 0.1PeV 以上的伽马辐射即 “超高能伽马辐射”。
这说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量，必定超过 1 PeV，也意味着银河系内普遍存在着可将粒子能量加速超过 1 PeV 的宇宙加速器。
而此前欧洲核子研究中心的 LHC（大型强子对撞机）这一人类在地球上建造的最大加速器，也只能将粒子加速到 0.01PeV。
可以说，本次“拉索”的发现完全突破了相关 “极限”，而且多数数源没有截断，这也颠覆了目前常见理论模型所宣称的银河系宇宙线加速 PeV 能量极限。
而且，“拉索”本次发现的、银河系内大量存在的 PeV 宇宙加速源，都是超高能宇宙线源的候选者，这标志着人类解决宇宙线起源这一难题迎来重要一步。
此后，人类也要重新认识银河系高能粒子的产生机制和传播机制，以及要去探索极端天体现象和其相关物理过程，并需要在极端条件下检验基本的物理规律。
突破二：开启 “超高能伽马天文学”时代
本次成果的第二个突破在于，开启了 “超高能伽马天文学” 时代。
上海交通大学物理与天文学院教授李亮告诉 DeepTech，这次发现的重大之处是在于发现了很多（12 个）PeV 的超高能伽马射线源。这是以前科学家都没有想到的，是一个典型的实验发现超越理论架构的例子。这次的重大发现迫切要求科学家发展出能够解释这些超高能伽马射线的新理论，使得理论能够跟上实验，从而能够对实验结果加以解释并进一步推动今后的实验。他还表示，从这个角度讲，这相当于开辟了一个全新的科学研究领域，所谓的 “超高能伽马天文学”。
周宇峰告诉 DeepTech：“'超高能伽马天文学’是一个新的时代的开始，一个新观测窗口的开启，将极大加深我们对理解宇宙线加速源的起源和分布的认识。”
杨金民也表示：“这次成果肯定了银河系内存在着能产生如此高能量的伽玛光子的源。”
回顾历史，1989 年，美国亚利桑那州惠普尔天文台发现了首个具有 0.1 TeV 以上伽马辐射的天体（1TeV=1 万亿电子伏），开启了 “甚高能” 伽马射线天文学时代。
此后 30 年间，人类已发现超过两百个 “甚高能” 伽马射线源。但一直到 2019 年，科学家才探测到首个具有 “超高能”（0.1PeV 以上）伽马射线辐射的天体，
那时，通过中国西藏羊八井 ASg 实验，中日合作团队发现了能量高达 0.45PeV 的伽马射线。
就在 2020 年，仅基于 1/2 规模的“拉索”的不到一年的观测数据，科学家就能把 “超高能” 伽马射线源数量提升到 12 个。
突破三：能量超过 1 PeV 的伽马射线光子首现天鹅座区域
对于第三个突破的意义，周宇峰认为：“这次的 PeV 伽马光子首次出现天鹅座区域和蟹状云星，具有明确的方向性，和以前的弥散光子有明显区别。对理解宇宙线的起源有里程碑式的贡献，对当前的一些宇宙线加速的经典理论提出了挑战。”
杨金民认为：“这次肯定了银河系内存在着能产生如此高能量的伽玛光子的源。”
作为非热辐射天体的代表，蟹状星云和天鹅座恒星形成区它们并不依赖于天体温度而产生辐射的天体，也就是说年轻的大质量星团、脉冲星风云和超新星遗迹，是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体，因此可帮助破解宇宙线起源的 “世纪之谜”，这也是本次研究的第三个突破。
作为伽马天文学的一座里程碑，PeV 光子探测一直都是伽马天文发展的超强驱动力。20 世纪 80 年代，挑战 PeV 光子极限正是伽马天文学爆发式发展的重要诱因。
据悉，银河系在北天区的最亮区域，正是天鹅座恒星的形成区域，其蕴含多个具备大量大质量恒星的星团。这些大质量恒星的寿命的量级并不大，只有百万年左右，所以星团内部充斥着大量恒星的剧烈活动，由于其强激波环境非常复杂，因此是理想的宇宙线加速场所，并有着 “粒子天体物理实验室” 之称。
而在天鹅座恒星形成区，高海拔宇宙线观测站首次发现的 PeV 伽马光子，让天鹅座恒星形成区得以成为超高能宇宙线源的最佳候选者，这或将迎来 “世纪之谜” 的突破口。
总结来说，该发现颠覆了人类对银河系内超高能粒子加速的传统认知，“超高能伽马天文学” 新时代正式拉开帷幕。
李亮向 DeepTech 分析称，一般认为 PeV 伽马射线和宇宙射线起源的关系是非常密切的，也就是说如果能够对超高能伽马射线研究的比较透彻，能够解释它们的来源，那么宇宙射线的来源也就迎刃而解了。而一旦知道了宇宙射线的源头，就相当于破解了一个人类科学史上几百年来的重大谜团，无论是科学上和应用上的意义都很大。
他认为：“这次的结果非常棒，接下来，'拉索’科学家们的研究方向应该是：1. 提高定位精度，“天鹅座区域和蟹状云星” 都是很大的区域，还要细化，这样才能有针对性的进行研究；2. 积累更多数据，寻找超高能伽马射线的能谱分布规律和源的位置分布规律。热切期望'拉索’团队带来更多更好的成果！”
“拉索” 的前世今生
据悉， “拉索” 是国家重大科技基础设施，其位于四川省甘孜州稻城县海子山的海拔 4410 米处。
它是 “十二五” 期间启动的国家重大科技基础设施项目，也是捕捉宇宙线粒子这一 “天外来客” 的神器，更有助于破解 “新世纪科学研究的世纪谜题”。
宇宙线粒子，是来自宇宙空间的高能粒子。受到大气层的保护作用，在穿过大气层的过程中，大部分高能粒子的能量都会被吸收掉，正因此人类无法感受到人体感知宇宙线粒子的到访。
虽然无法被感受到，但却非常重要。宇宙线粒子是来自外太空的唯一物质样品，其携带着天体演化和宇宙早期的奥秘，被学界认为是传递 “宇宙大事件” 的信使、以及发现 “宇宙加速器” 的探针。
人类从最初研究宇宙线高能粒子，迄今已有一百多年，期间诞生了 5 位诺贝尔奖得主，但人类始终未能解释宇宙线高能粒子的起源、以及加速机制。美国国家科学技术委员会甚至将其列为 “新世纪科学研究的 11 个世纪谜题” 之一。
2008 年，中国科学家开启了建设“拉索”的前期预研，通过在中国高海拔地区进行的广泛选址和实地踏勘调研，稻城县海子山平均海拔为 4410 米的高地，成为观测站的站址。
可以捕捉粒子 “阵雨” 的高原 “天网”
宇宙线，一般叫做 “银河陨石”，对于地球来说它是一个天外来客，肩负着传递宇宙大事件的 “青鸟传信” 功能。
高海拔宇宙线观测站占地 1.36 平方公里，航拍视角中的它就像群山中的一枚古铜钱，也因此被戏称为 “孔方兄”。
图 | “拉索”（来源：高海拔宇宙线观测站）
据了解，观测站拥有 4 种探测器阵列，内含 1188 个缪子探测器、5195 个电磁粒子探测器、3000 路水切伦科夫探测器单元和18台广角切伦科夫望远镜。
这些探测器陈列，可在高原组成一张 “天网”，并用精确的复合测量手段，去 “捕捉” 从外太空进入地球大气层的 “天外来客” 即宇宙线粒子，探测器陈列还可对宇宙线粒子进行全息式 “体测”，如测量其能量、种类、几何信息等指标。
之所以在高海拔地区建设探测器，是因为宇宙线粒子进入大气层后，能和大气中的原子核发生作用，并生出许多次级粒子。
接着，次级粒子会和大气中的原子核相互作用，并产生新的次级粒子。如此不断循环，最终可产生百亿个次级粒子。这些次级粒子来到空气中，好比一场粒子 “阵雨”，可在顷刻间散布在数平方公里的面积上。
在抵达地面的路途中，大气层会 “吞噬” 一部分粒子 “阵雨”，而在高海拔地区建设探测器的好处在于，能赶在大气层 “吞噬” 粒子 “阵雨”之 前、去捕捉到尽可能多的次级粒子，从而获悉更多信息。
通过闪烁体、水和大气等转换介质，粒子 “阵雨” 在介质中沉积的能量，可通过各单元的探测器转化成光子。通过光电倍增管把光子接收、并放大后，再经过光电转化，粒子 “阵雨” 就能变成电信号、并被读出和记录。
这时，人类就能读懂粒子 “阵雨” 蕴含的信息，原初宇宙线和大气的相互作用也可被解析出，从而反推出原初粒子的性质，并进行相关研究。
前面讲过，“拉索”内有 1188 个缪子探测器，每个缪子探测器的外观是一个 36 平方米大小的 “土堆”，其主要用于测量粒子 “阵雨” 中的缪子含量。
土堆下面有一个直径 6.8 米、高 1.2 米的混凝土罐体，其中放置着装有超纯水的高反射率水袋，当缪子进入水袋中，会在水中产生切伦科夫光。这时，水袋顶部的光电倍增管，会放大接收的光信号，并将其转化为电信号做以测量。而缪子探测器中的土层，可用于屏蔽次级粒子中的电磁成分。
据了解，剩下的 1187 个电磁粒子探测器将于 2021 年 7 月完工，并将申请国家验收，验收完毕后将实现全阵列科学观测。
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