川觀新聞記者 寧寧
春節(jié)過后，甘孜州稻城縣海拔4410米的海子山上，以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測站(LHAASO，“拉索”)傳來又一重大發(fā)現(xiàn)：在距離地球5000光年左右的天鵝座恒星形成區(qū)，發(fā)現(xiàn)了一個巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，是歷史上首次找到能量高于1億億電子伏的宇宙線的起源天體。
2月26日，這一重大成果以封面文章的形式，發(fā)表在《Science Bulletin》(《科學(xué)通報》)上。該研究由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成，中國科學(xué)院院士、高能物理研究所研究員曹臻，山東大學(xué)和高能物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生高川東，高能物理研究所李驄副研究員，南京大學(xué)的柳若愚研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的楊睿智教授為論文的共同通訊作者。
拉索發(fā)現(xiàn)巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)
以“膝”為標(biāo)：“超出能量”宇宙線被銀河系內(nèi)天體加速
“這次拉索最大的發(fā)現(xiàn)是找到了一個類似于大球的泡泡。”中國科學(xué)院院士、高能物理研究所研究員曹臻說，此次的發(fā)現(xiàn)比此前都更為復(fù)雜，意味著人類首次看到了宇宙線的起源。
如何理解起源?那得從“終點”說起。
宇宙線是從外太空來的帶電粒子，其主要成分為質(zhì)子，它的起源是當(dāng)代天體物理學(xué)最重大的前沿科學(xué)問題之一。測量發(fā)現(xiàn)，宇宙線的能譜(即宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布)在1千萬億電子伏附近呈現(xiàn)出一個拐折結(jié)構(gòu)，因形狀類似膝關(guān)節(jié)，而被稱為宇宙線能譜的“膝”。
“這個轉(zhuǎn)折，也就是‘膝’，意味著存在宇宙線加速質(zhì)子能力不足的情況，被看作是銀河系的盡頭。”曹臻解釋，能量比“膝”低的宇宙線，被認(rèn)為起源于銀河系內(nèi)的天體，“膝”的存在也表明銀河系大部分的宇宙線源加速質(zhì)子的能量極限在1千萬億電子伏左右。“也就是說，科學(xué)家們認(rèn)為超過‘膝’能量的宇宙線來自銀河系外。”
然而，拉索此次在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)的巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)有多個能量超過1千萬億電子伏的光子分布其中，最高達(dá)到2千萬億電子伏。
“這是人類第一次在銀河系找到能量超過‘膝’的宇宙線。”曹臻說，一般來說，產(chǎn)生能量為2千萬億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。“這也說明，有天體把宇宙線能量加速到這么高能量。”
那是何種天體所為?
一直以來，科學(xué)家們都在尋找這一“說不清楚的存在”。曹臻說，兩年內(nèi)，關(guān)于一篇宇宙線起源的文章被引用超過380多次。短時間內(nèi)次數(shù)之多，足以說明研究宇宙線的起源至關(guān)重要。
自2019年以來，隨著觀測數(shù)據(jù)的累積，關(guān)于宇宙線的數(shù)據(jù)變得越來越清晰，形態(tài)也越來越清楚。“通過數(shù)據(jù)來看，我們認(rèn)為起源天體就是此次發(fā)現(xiàn)的‘泡泡’。”曹臻說。
伽馬射線泡
以“泡”為核：人們認(rèn)證的首個超級宇宙線加速源
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，它的體積要比太陽大上千萬倍。
“這是粗看，湊近點看，里面大有乾坤。”曹臻又拿出一張“近”圖，圖上有多個亮點，“一個亮點就有太陽那樣大。”他馬上強調(diào)，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(nèi)部存在超級宇宙線加速器，以恒定的速度，源源不斷地產(chǎn)生能量至少達(dá)到2億億電子伏的高能宇宙線粒子，并注入到星際空間。
讓能量從“膝”以下，升高到“膝”的10倍，“泡泡”如何加速宇宙線?
“這與‘泡泡’的核心有關(guān)。”曹臻指著圖片說，“泡泡”的中心是一個恒星形成區(qū)，也叫做大質(zhì)量恒星星團(tuán)(Cygnus OB2星協(xié))，“你看，上面至少有三個紅色的亮點，一定范圍內(nèi)有一個亮點就不得了，多個亮點意味著活動很激烈。”
有多激烈?
據(jù)介紹，星協(xié)是由很多表面溫度超過約3萬5千度的恒星(O型星)和表面溫度超過約1萬5千度的恒星(B型星)組成的密集星團(tuán)，這類恒星一般年輕、熾熱且質(zhì)量大。
“這意味著這些恒星的輻射強度是太陽的百倍至百萬倍。”曹臻說，巨大的輻射壓將恒星表面物質(zhì)吹出，形成了強烈的星風(fēng)，速度可達(dá)每秒上千公里。對外，星風(fēng)與周圍星際介質(zhì)進(jìn)行碰撞;對內(nèi)，在狹小的空間中，星風(fēng)互相猛烈碰撞，內(nèi)外碰撞一起產(chǎn)生了強激波、強湍流的極端環(huán)境，這就形成了強大的粒子加速器，也是迄今為止人們能夠認(rèn)證的第一個超級宇宙線加速源。
“加速器形成后，以質(zhì)子為主的微觀粒子被加速到極高的能量，就是我們在地球上觀測到的宇宙線。”曹臻闡釋，在星際磁場的作用下，超高能宇宙線從加速區(qū)域傳播到星際空間，與星際空間中的靜止質(zhì)子發(fā)生碰撞，產(chǎn)生高能伽馬射線，高能伽馬射線光子傳播到地球，次級粒子被拉索觀測記錄下來，科學(xué)家們從而重建得到了伽馬射線圖像。
“此次找到的‘泡泡’好比銀河系的小中心，是人類最有希望搞清楚宇宙線起源的天體。”科學(xué)家們認(rèn)為，隨著觀測時間的增加，拉索將可能探測到更多的千萬億電子伏乃至更高能量宇宙線的加速源，眾多“泡泡”一起，或?qū)⒆罱K解決銀河系宇宙線起源之謎。
位于甘孜州稻城縣海拔4410米海子山上，拉索于2021年7月建成并開始高質(zhì)量穩(wěn)定運行，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置。
拉索刷新認(rèn)知，帶來更多發(fā)現(xiàn)
此外，還有一個重要發(fā)現(xiàn)同步誕生——宇宙線的擴散速度要遠(yuǎn)比原來認(rèn)為的慢。
科學(xué)家們解釋，原本以為宇宙線的空間很空，一注入銀河系便會“跑掉”。但現(xiàn)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，擴散速度比以往想象的至少要慢上100倍。“拉索不斷刷新我們的認(rèn)知，對我們認(rèn)識宇宙線的傳播過程起到了啟發(fā)作用，因為這種慢慢擴散行為很有可能也代表了銀河系的擴散行為。”
“‘泡泡’所影響的空間范圍，甚至遠(yuǎn)超目前觀測到的‘泡泡’尺度，這為拉索此前探測到的銀河系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(jù)介紹，拉索是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，是由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米水切倫科夫探測器陣列以及由18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的復(fù)合陣列。
拉索于2021年7月建成并開始高質(zhì)量穩(wěn)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(xué)院高能物理研究所承擔(dān)運行，采用通用的國際合作模式，實現(xiàn)設(shè)施平臺與觀測數(shù)據(jù)的開放共享，目前已有32個國內(nèi)外天體物理研究機構(gòu)成為拉索的國際合作組成員單位，成員約280人。
受訪者供圖
編輯：譚鵬
