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宇宙 激動！突破人類認知

◎ 科技日報采訪人員 陸成寬
超高能光子的“加速度”究竟是誰給的？
5月17日，采訪人員從中國科學院高能物理研究所新聞發(fā)布會獲悉，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)2個能量超過1拍電子伏特（PeV，1000萬億電子伏特）的光子，這2個超高能光子分別來自天鵝座和蟹狀星云，其中1個光子能量高達1.4 PeV。
【 宇宙|激動！突破人類認知】這是人類迄今觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知，開啟了超高能伽馬天文學的新時代。相關(guān)研究成果在線發(fā)表于《自然》雜志。
對此，《自然》物理科學總編輯卡爾·澤梅里斯評論道，這些激動人心的發(fā)現(xiàn)盡管還很初步，但卻因為部分建成的“拉索”的觀測工作才成為可能。未來待“拉索”全部完工后，相信還會發(fā)現(xiàn)更多這樣的伽馬源。這些發(fā)現(xiàn)讓我們離了解高能宇宙線起源又近了一步。
過去預(yù)言的宇宙線加速源能量極限
并不存在
“拉索”位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是世界上最大的高海拔宇宙線觀測裝置，目前尚在建設(shè)中。宇宙線是一種帶電粒子，在宇宙中以接近光速的速度飛行。
利用“拉索”已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測裝置11個月的觀測數(shù)據(jù)，科學家發(fā)現(xiàn)了12個穩(wěn)定伽馬射線源，它們都具有超高能光子輻射，并且都穩(wěn)定地延伸到PeV附近，甚至“拉索”還探測到迄今人類從未見過的1.4 PeV的最高能量伽馬光子。
“這些發(fā)現(xiàn)表明銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ蛹铀僦聊芰砍^1 PeV的加速器，并不存在一個過去預(yù)言的銀河系宇宙線加速源能量極限，打開了‘超高能伽馬’這一高能天文窗口。”中科院高能所研究員、“拉索”首席科學家曹臻說。
宇宙 激動！突破人類認知
文章插圖

此前，銀河系內(nèi)的宇宙線加速源存在能量極限是個“常識”，過去預(yù)言的極限就在1PeV附近，導(dǎo)致伽馬射線能譜在0.1 PeV以上有“截斷”現(xiàn)象。“拉索”的發(fā)現(xiàn)完全突破了這個“極限”，觀測到的伽馬射線能譜在0.1 PeV以上并有沒有“截斷”現(xiàn)象，確定了銀河系宇宙線加速源不存在PeV以下的加速極限。
“‘拉索’的新發(fā)現(xiàn)表明，以天鵝座恒星形成區(qū)的天體群、蟹狀星云等為代表的年輕的大質(zhì)量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體，這就向著解決宇宙線起源這一科學難題邁出了至關(guān)重要的一步。”曹臻說。
PeV伽馬光子首現(xiàn)
天鵝座區(qū)域和蟹狀星云
PeV光子的探測是伽馬天文學的一座里程碑，承載著伽馬天文界的夢想，長期以來一直是伽馬天文發(fā)展的強大驅(qū)動力。
事實上，上世紀80年代伽馬天文學爆發(fā)式發(fā)展一個重要的誘因就是挑戰(zhàn)PeV光子極限。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮區(qū)域之一，擁有多個具有大量大質(zhì)量恒星的星團，大質(zhì)量恒星的壽命只有百萬年的量級，因此星團內(nèi)部充滿大量恒星生生死死的劇烈活動，具有復(fù)雜的強激波環(huán)境，是理想的宇宙線加速場所，被稱為“粒子天體物理實驗室”。
宇宙 激動！突破人類認知
文章插圖

“拉索”在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)PeV伽馬光子，使得這個本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為超高能宇宙線源的最佳候選者。該區(qū)域以后自然是“拉索”以及相關(guān)的多波段觀測乃至于多信使天文學的巨大熱門，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。
同時，歷史上對蟹狀星云大量的觀測研究，使之成為幾乎唯一具有清晰輻射機制的標準伽馬射線源，跨越22個量級的光譜精確測量清楚地表明其電子加速器的標志性特征，然而，“拉索”測到的超高能光譜，特別是PeV能量的光子，嚴重挑戰(zhàn)了這個高能天體物理的“標準模型”，甚至于對更加基本的電子加速理論提出了挑戰(zhàn)。
國家高能物理科學數(shù)據(jù)中心
是幕后支撐者
這一發(fā)現(xiàn)離不開海量數(shù)據(jù)的支撐以及高效的數(shù)據(jù)處理平臺。
“拉索”實驗的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率達到每秒10000兆比特以上，每年365天不間斷運行。為了高效管理和分析這些海量的科學數(shù)據(jù)，國家高能物理科學數(shù)據(jù)中心為“拉索”建立了完整的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、匯交、存儲、共享及處理。“拉索”數(shù)據(jù)服務(wù)平臺由稻城海子山、北京高能所雙數(shù)據(jù)中心以及合作單位的分布式計算站點組成。
“到目前為止，“拉索”積累的數(shù)據(jù)總量達到10PB，文件數(shù)達到2億個。”國家高能物理科學數(shù)據(jù)中心主任陳剛介紹。

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