今天燃爆科学界的LHAASO，和人类认识银河系有什么关系？

今日，一项发表在《Nature》上的重大成果，将改变人类对银河系的传统认知。

这项成果就是，位于四川稻城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1.4拍电子伏伽马光子（拍=千万亿）。这是人类观测到的最高能量光子，改变了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启“超高能伽马天文学”的时代。

是不是“听起来超级厉害的样子”，有种“每个字我都认识，但放在一起就不知道在说什么”的感觉？那，请你下面慢慢体会——

【宇宙线是什么？】

首先你需要搞清楚宇宙线是什么。

宇宙中，无数神秘的粒子正以接近光的速度飞驰，这些神秘的粒子就是宇宙线——星际空间中的高能带电粒子。它于1912年由奥地利物理学家维克托·赫斯发现，后者也因此荣膺1936年的诺贝尔物理学奖。

在银河系的星际空间中，宇宙线贡献了1/3的能量密度，是星际空间的重要组成部分，同时主导了星际化学和恒星形成等天体物理过程。因此，宇宙线的研究对于人类认识宇宙有重要意义。

宇宙线的能谱在拍电子伏（1拍=1千万亿）附近呈现一个拐折结构，这表明银河系中存在着至少能把质子加速到拍电子伏的天体。对于目前的人类文明来说，拍电子伏是一个难以企及的能量，目前地球上最大的人造粒子加速器（即欧洲核子研究中心的LHC）能够加速粒子的极限能量仅为0.01拍电子伏左右。

这些宇宙线的起源天体相当于天然的粒子物理实验室，找到这些天体并研究它们的特性不仅是人类认识理解宇宙的一个重要里程碑，也可能成为突破当前基础物理学框架的关键一步。

【世纪未解之谜？】

高能宇宙线起源，之所以是一个世纪未解之谜，主要有两个难点：

第一，宇宙中遍布磁场，而带电粒子在磁场中运动时会被磁场偏折运动方向。宇宙线从源到地球的传播过程中已经失去源的位置信息，科学家们无法通过宇宙线粒子的到达方向直接定位源的位置。

第二，把粒子加速到拍电子伏的条件相当苛刻，即便天体具有很强的加速能力，也只有很小一部分粒子能成功达到如此之高的能量，因此产生的超高能光子的信号也非常弱。

鉴于这种情况，科学家们转而把目标变为探测这些宇宙线与星际介质相互作用产生的光子。由于光子的运动不会受磁场影响，探测到能量在0.1拍电子伏以上的光子（也称为超高能光子）的源便可定位拍电子伏粒子加速器。然而此前国际上主流探测器主要工作在0.1拍电子伏能量以下，难以有效确认拍电子伏宇宙线加速器。

【什么是超高能伽马？】

超高能（UHE：>1014电子伏特）伽马天文是迄今人类观测宇宙的最后一个、也是最高能量的电磁辐射窗口，由于超高能伽马射线数量极少而被淹没在巨大的宇宙线背景中，对超高能伽马射线的探测一直是人类面临的一个巨大挑战，成为未曾开垦的处女地。

超高能伽马射线来自于比它能量更高的粒子，故可以用来示踪这些高能粒子的起源、加速以及传播机制，也即可以用来发现并研究宇宙高能粒子加速器，是破解高能宇宙线起源这一“世纪之谜”的金钥匙。

然而探测超高能伽马射线非常困难，一个超高能伽马射线探测器必须同时具备下面五个条件：

大面积：超高能伽马射线非常稀少，一平方千米的面积上每天只能接收到一两个，要捕捉它们需要在至少一平方千米的面积上布下“天罗地网”；

强大的伽马/背景区分能力：这些稀有的伽马事例混杂在成千上万倍的宇宙线背景中，探测器要具有火眼金睛，准确识别伽马事例和宇宙线背景事例，才能够大海捞针般从成千上万的背景中准确挑出稀有的伽马射线事例；

高海拔：探测超高能伽马射线要到海拔4000-5000米的雪域高原，这里空气稀薄，呼吸困难，却是探测超高能伽马射线的最佳场所；

大视场：一双火眼金睛只能看一部分天空，要有千万双盯住整个天空，不丢掉一个宝贵的事例；

全天候：这些火眼金睛不能眨，要日日夜夜风风雨雨中不眠不休，才能够捕捉到所有的事例；

【什么是LHAASO？】

我国的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。是当前国际上最灵敏的超高能伽马射线探测器。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO，2020/11）

它的工作能量从太电子伏一直延伸到拍电子伏（1拍=1000太），不仅具有一平方公里的超大有效探测面积，其配备的1188个缪子探测器还能够把混在十万个背景事件中的一个光子信号准确挑出。凭借着强劲的性能，LHAASO仅靠其在1/2规模阶段运行11个月收集到的数据，便一举在银河系内发现了12个超高能伽马射线源！

在这12个源当中，既包含了如蟹状星云、天鹅座恒星形成区等在伽马射线天文领域著名的天体，也有此前从未发现过的新源。最令人吃惊的是，前两者中最高的光子能量竟达到了1拍电子伏，大大刷新了人类探测到的光子最高能量的纪录。有趣的是，这个人类迄今所观测到的最高能量的光子来自大名鼎鼎的天鹅座“茧壳”（Cocoon），长期以来科学家们相信它是一个超高能宇宙线源，但一直没有找到确凿的证据。

来看看LHAASO宇宙线观测站探测器

是怎么工作的

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这项里程碑式的新发现打开了超高能伽马射线天文观测的新窗口，使人类得以瞥见银河系中的汹涌暗流。LHAASO现在的科学发现只是超高能伽马天文的冰山一角，其全阵列预计于2021年建成并投入科学运行。我们有理由相信，在未来几年中，当完整的LHAASO投入使用后，LHAASO将凭借其远超现有水平的灵敏度向高能宇宙线起源这一“世纪之谜”发起冲击，进一步刷新人类对银河系的传统认知。

红星新闻首席编辑黄海英

综合中科院之声、科学大院

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