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世紀 有望突破“世紀之謎”！四川稻城高海拔宇宙線觀測站發現最高能量光子

紅星新聞采訪人員從中國科學院高能物理研究所獲悉，位于四川稻城縣的國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器，并記錄到最高1.4拍電子伏伽馬光子（拍=千萬億），這是人類觀測到的最高能量光子，改變了人類對銀河系的傳統認知，開啟“超高能伽馬天文學”的時代。這些發現將于今日（17日）發表在《自然》（《Nature》）雜志。該研究工作由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。
世紀 有望突破“世紀之謎”！四川稻城高海拔宇宙線觀測站發現最高能量光子
文章插圖
LHAASO全景航拍圖
成果：
發現首批“拍電子伏加速器”
和最高能量光子
據了解，高海拔宇宙線觀測站尚在建設中，此次報道的成果是基于已經建成的1/2規模探測裝置、2020年內11個月的觀測數據。科學家們發現了能量1.4拍電子伏的光子，來自天鵝座內非常活躍的恒星形成區。還發現了12個穩定伽馬射線源，能量一直延伸到1拍電子伏附近，這是位于LHAASO視場內銀河系內最明亮的一批伽馬射線源，測到的伽馬光子信號高于周圍背景7倍標準偏差以上，源的位置測量精度優于0.3°。
【 世紀|有望突破“世紀之謎”！四川稻城高海拔宇宙線觀測站發現最高能量光子】“這次觀測積累的數據還很有限，但所有能被LHAASO觀測到的源，它們都具有0.1拍電子伏以上的伽馬輻射，也叫‘超高能伽馬輻射’。”中國科學院高能物理研究所粒子天體物理中心研究員、國家重大科技基礎設施LHAASO項目經理兼首席科學家曹臻表示，這表明銀河系內遍布拍電子伏加速器，而人類在地球上建造的最大加速器（歐洲核子研究中心的大型強子對撞機LHC）只能將粒子加速到0.01拍電子伏。銀河系內的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”，過去預言的極限就在0.1拍電子伏附近，從而預言的伽馬射線能譜在0.1拍電子伏以上有“截斷”現象。LHAASO的發現完全突破了這個“極限”，大多數源沒有截斷。
這些發現開啟“超高能伽馬天文”觀測時代，表明以天鵝座恒星形成區、蟹狀星云等為代表的非熱輻射天體，即年輕的大質量星團、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，有助于破解宇宙線起源這個“世紀之謎”。科學家們也需要重新認識銀河系高能粒子的產生、傳播機制，探索極端天體現象及其相關的物理過程并在極端條件下檢驗基本物理規律。
世紀 有望突破“世紀之謎”！四川稻城高海拔宇宙線觀測站發現最高能量光子
文章插圖
地面簇射粒子陣列KM2A
意義：
開啟“超高能伽馬天文學”時代
有望成為解開“世紀之謎”突破口
曹臻表示，LHAASO此次科學成果發現在宇宙線起源的研究進程上具有里程碑意義，其科學突破在于：
揭示了銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1 PeV的宇宙加速器。在這次觀測中，LHAASO所能夠有效觀測到的伽馬射線源中（統計觀測中通常要求5倍標準偏差的超出視為有效觀測），幾乎所有的天體都具有0.1 PeV以上的超高能伽馬輻射，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過了1 PeV。觀測到的伽馬射線能譜在0.1 PeV以上沒有明顯截斷，表明銀河系宇宙線加速源不存在PeV以下的加速極限。
“此次研究成果突破了當前流行的理論模型。”他說。理論認為拍電子伏特（PeV）能量的宇宙線在加速源區與周圍氣體作用下可以產生0.1 PeV的伽馬射線，探測超過0.1 PeV的伽馬射線是尋找和認證PeV宇宙線源的主要手段之一。而之前國際上主流探測器工作在0.1 PeV能量以下，無法確認PeV宇宙線加速源的存在。LHAASO發現了銀河系內大量存在的PeV宇宙加速源，它們都是超高能宇宙線源的候選者，這就向著解決宇宙線起源這一科學難題邁出了至關重要的一步。
世紀 有望突破“世紀之謎”！四川稻城高海拔宇宙線觀測站發現最高能量光子
文章插圖
廣角切倫科夫望遠鏡(WFCTA)
同時，此次研究成果開啟“超高能伽馬天文學”時代。
曹臻表示，1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺的實驗組成功發現了首個具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體，標志著“甚高能”伽馬射線天文學時代的開啟。在隨后的30年里，已經發現超過兩百多個“甚高能”伽馬射線源。直到2019年人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。出人意料的是，僅基于1/2規模的LHAASO不到1年的觀測數據，就將“超高能”伽馬射線源數量提升到了12個。
“隨著LHAASO的建成和持續不斷的數據積累，可以預見這一探索極端宇宙天體物理現象的最高能量天文學研究將給我們展現一個充滿新奇現象的未知‘超高能宇宙’。”曹臻告訴采訪人員。由于宇宙大爆炸產生的背景輻射無所不在，它們會吸收高于1 PeV的伽馬射線，超出了銀河系的范圍，即使它們在那里產生出來，我們也接受不到，由此可見這個觀測窗口的特殊意義。

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