10分钟详解：中国发现拍电子伏加速器，观察宇宙的新维度
最近，我国科学家在《自然》等杂志上发表了一项非常重大的成果。有多重要呢？据说外国同行看到这个成果感叹了一句：“看到这个，我可以死了……”，反正大概就是这么个意思吧。略显夸张，但是份量十足。
这个重大的成果就是网上最近在流传的“拍电子伏特加速器”。有网友对此很感兴趣给我留言，但是我当时有点懵圈。这个“拍”到底啥意思？是不是写错字了？看来，要搞懂这件事儿的来龙去脉，要穿插很多的名词解释。
首先这件事儿的源头来自于国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（LHAASO），简称叫“拉手”。这个探测器项目位于四川稻城的海子山上，这家伙是一个不折不扣的“隐形冠军”，完全是在我们大众的视野之外，悄悄地拿下了一个世界第一。LHAASO是世界上灵敏度最高的超高能伽马射线探测器，探测器的有效面积达到了一平方公里，配备了1188个μ子探测器。这刚建造了一半，运行了11个月，就发现了一个重大科学成果。
LHAASO探测器在银河系之中发现了多个超高能宇宙线加速器，并且记录到最高1.4拍电子伏特的伽马光子。这话到底啥意思呢？先做名词解释。
首先，电子伏特是能量单位，研究粒子物理的都喜欢用这个单位。粗略地说，就是用1伏特的电压从静止开始来加速一个电子，最后电子获得的能量就是一个电子伏特，这是个非常小的单位，大概是1.6×10^-19焦耳。
拍（peta）是啥意思呢？就是千万亿的意思，也就是10的15次方。1000叫1K，100万叫1M，1000M叫1G，1000G叫1T，1000T叫1Peta，也就是1拍。1拍电子伏特相当于1.6/10000焦耳的能量。看上去并不大，但是你要想想啊，这是一个光子的能量，已经够大的了。
宇宙之中有一些带电的高能粒子在到处游荡，这就是宇宙射线。我们的太阳也会发出太阳风，会喷出带电粒子，其他恒星也是半斤八两，叫做“星风”。还有一些其他的物理机制也会产生高能带电粒子。这些高能带电粒子混杂在一起，我们也分不出到底是怎么产生的。反正宇宙射线90%都是质子，也就是氢元素的原子核。还有9%是氦元素的原子核。1%的电子。这个比例和宇宙之中物质组成的份额是匹配的。
但是，这些乱七八糟的射线在宇宙里游荡，会被各种天体加速，比如黑洞和中子星。这些东西就是天然的加速器，比地球上的加速器要大多了。人类造的玩意儿和宇宙天体相比，真是不值一提，人家拔根毛都比我们的腰粗。人类建造的最大的大型强子对撞机仅仅能达到0.01拍的量级。宇宙射线的能量都不低。
但是宇宙天体都是带着磁场的，我们地球不也有磁场嘛。结果这些高能带电粒子遇到磁场就拐弯，天知道它们路过了几个星球，拐了几个弯儿呢？说不定在宇宙里溜达个千万年也不新鲜，那要拐多少弯儿啊？
所以，我们即便能探测到宇宙射线来自何方，也无法判别它的老家在哪儿，从哪里发出来的。
怎么办呢？好办啊。星际空间并不是彻底空空荡荡什么都没有，多多少少还有一点气体分子。大概也就1立方厘米包含一个氢原子这个量级。宇宙射线大部分都是质子，氢原子核也是质子，基本上就相当于高能的质子对撞，跟大型强子对撞机其实差不多。会撞出很多的π介子和K介子，然后衰变成μ子，μ子最后会变成高能的光子，能量越高，光子的频率也越高，都在伽马射线的波段内。这样就被我们超高灵敏度的LHAASO给探测到了。
这么说吧，大概有一部分宇宙射线刚出门没多远就撞车了，和星际物质粒子发生了碰撞，然后经过一系列的复杂物理过程产生了高能的伽马光子。这些光子可不怎么拐弯儿，正好被我们的探测器捕捉到，光子的来向是很容易判别的，也就相当于发现了辐射源的方向。
一般的物理过程产生1peta量级的粒子是很难的，就好比我们去观察周围人的身高，你会发现特别高的是极少数，特别矮的成年人也是极少数。前边来了一哨人马，各个身高两米开外，难道是篮球队出来集体逛街？那估计肯定是事出有因。
这个道理大家都懂啊。我们的LHAASO探测器偏偏就发现1peta能级附近的伽马光子多得不正常，明显是事出反常必有妖。这些能够把宇宙射线加速到极高能量的天体，就是所谓的“拍电子伏加速器”。
LHAASO现在积累了11个月的观察数据，在银河系里发现了12个强辐射源，也就是12个大号的天然粒子加速器。有一些辐射源是新面孔，过去没见过。但是有些老面孔也让大家吃了一惊，比如说天鹅座恒星形成区，比如说蟹状星云。这里头怎么蟹状星云也来掺和一脚？真是没想到。
如果说仅仅是发现了一些1peta量级的伽马光子。这好像也没有什么新鲜的，为什么这样一个成果会成为重大的成就呢？因为这个发现打开了一个新的领域，一个新的维度。
我们人类只能靠眼睛去观察这个世界，但是我们的眼睛只能看到这个宇宙里很小的一部分可见光。不管是在电磁波频谱上扩展一个波段，还是发现一种新的探测手段，都能让我们大开眼界。我们用X射线看到了人体的骨骼，用B超看到了肚子里的宝宝，用无线电看到了星系中心的黑洞吸积盘，用引力波听到了中子星的合并。每一种探测手段，其实都是打开了一个全新的领域，重要性当然是不言而喻的。
最近天文学界对快速射电暴特别关注，就是因为这是一种我们了解不多的现象。同样，对于拍电子加速器也是一样的。
蟹状星云是一颗新鲜出炉的超新星遗迹。公元1054年，北宋的司天监发现了一颗天关客星。这就是人类明确记录到的一次超新星爆炸。后来，天文学家们在这个位置找到一个蟹状星云，这个星云就是当年那颗超新星爆炸造成的，到现在还在继续膨胀。星云里有一颗活跃的脉冲星，就是当年那次超新星爆炸后剩余的产物。
这是一颗鲜活的超新星，脉冲星就是高速旋转的中子星，转得飞快，磁场极强，粒子被加速到了相对论性速度，起码是光速的几分之一吧，这就是所谓的“脉冲星风”。这家伙也会发射出强大的X射线和伽马射线。天文学家们几乎把它研究了个透，大家对它太熟悉了。
所以蟹状星云的这颗脉冲星几乎成了唯一搞清了辐射机制的标准伽马射线源。但是，当我们的视野扩展到了拍电子伏特这个量级。我们突然发现，似乎我们是小看了蟹状星云中间这个脉冲星，这个家伙居然是一个peta量级的电子加速器。看来有很多事儿，我们未必真的搞明白了。
天鹅座恒星形成区是银河系在北天最亮的一个区域。这里聚集着很多大质量恒星。加起来怎么也有好几万倍太阳质量。越是大的恒星，吹出来的星风越强，速度达到了每秒几千公里。
你想吧，本来大家距离就够近，大家还在互喷，喷的还挺起劲的。气流猛烈撞击，比地球上的大型强子对撞机厉害多了。所以，这个区域有着极其复杂的强激波，强湍流。
大质量天体的寿命普遍都很短，到最后一般都是以超新星爆炸的方式了却残生。本来大家互相喷的就够厉害的，这还来个玩儿自爆的，爆炸的冲击波更加猛烈，所以，这个地方就成了粒子加速的绝佳场所，成了一个peta量级的质子加速器。
所以，LHAASO在这个区域发现了1.4拍电子伏特的最高能量光子，这说明，用“拍电子伏特粒子加速器”这个词可能都不足以形容这个天然粒子加速器的强大。
尽管如此，星际空间的物质实在是太稀薄了，即便是非常明亮的蟹状星云，每立方厘米也只有1300个粒子，还不如月球表面的气体浓度呢。所以，粒子对撞也是小概率事件，大概是在一平方公里的范围内，探测到的超高能的伽马光子也不过是1天1个的水平。这些高能光子进入地球大气还会发生“簇射”，一个高能光子和空气撞击，迸发出一大堆乱七八糟的粒子，这些粒子还会在产生更多乱七八糟的粒子，探测的难度又大大增加了。
所以，我们的LHAASO是建在海拔4410米的稻城海子山上，尽量克服大气吸收的问题。用1平方公里的巨大探测面积来应对粒子稀少的问题。用多种探测手段解决高能伽马光子混在在乱七八糟的粒子之中，不容易辨认的难题。这也是一个国际合作项目，很多国家都出了力，整体技术水平非常高。
现在取得的这些成就，还都是在LHAASO还没全部完成的情况下做出的，将来完全建成以后，不知道还会带给我们什么新的发现。
现在我们的国力强了，既有财力，也有技术实力，也应该在基础科学研究的大科学工程上花点钱了。我常说，只有伟大的国家才愿意投入大笔的资金，用在暂时看不到什么短期效益的基础科学研究项目上。我们当然是伟大的国家。
我相信，我们的脑袋瓜子都是很聪明的，只要愿意花了足够的钱和足够的精力，肯定是会对全人类的科学进步做出重要贡献的，让我们拭目以待吧。