[科普中國(guó)]-LHAASO發(fā)現(xiàn)首批“拍電子伏加速器”和最高能量光子！這意味著什么？

2021年5月17日，中科院高能所將召開“高海拔宇宙線觀測(cè)站發(fā)現(xiàn)首批‘拍電子伏加速器’和最高能量光子”聯(lián)合發(fā)布會(huì)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)突破了人類對(duì)銀河系超高能粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”的全新時(shí)代。

發(fā)布會(huì)現(xiàn)場(chǎng)圖

或許你對(duì)于這些高深的名詞一時(shí)難以理解，但這句話你一定或多或少“耳聞目睹”過：“有兩種東西，我對(duì)它們的思考越是深沉和持久，它們?cè)谖倚撵`中喚起的驚奇和敬畏就會(huì)日新月異，不斷增長(zhǎng)，這就是我頭上的星空和心中的道德定律。”

這句哲學(xué)家康德的名言從18世紀(jì)一直流傳至今。它的歷久彌新向天下昭告著：追尋真理是人類最原始的渴望，而宇宙星空正是承載真理的“鯤鵬”。

裸眼看到的星空已讓我們?nèi)绱酥?，而如果有真?shí)的來自太陽系外的物質(zhì)能送到你身邊，豈不是更能感覺到吃驚與興奮！而這樣的物質(zhì)樣本，其實(shí)在我們的身邊無處不在，那就是宇宙線。

宇宙線又稱宇宙射線，絕大多數(shù)都是速度接近光速的核子（質(zhì)子，氦原子核，碳原子核等），也有少量的光子、電子、中微子等。這些核子，我們也稱其為宇宙線核子，它們的起源地被稱為宇宙線源。

宇宙線核子的能量平均比我們所認(rèn)識(shí)的“光”要大的多，但每一個(gè)到達(dá)地球的宇宙線核子，都要?dú)v經(jīng)一段更為浪漫曲折的旅程才能與我們相遇。

這又是為什么呢？

因?yàn)殂y河系中到處都存在著磁場(chǎng)，而核子本身帶有電荷，所以宇宙線核子從源區(qū)產(chǎn)生后，會(huì)不斷受磁場(chǎng)影響，要在銀河系內(nèi)“漫游”數(shù)千萬年，才有可能遇到地球，然后被我們觀測(cè)到。

宇宙線核子的旅程過于曲折，導(dǎo)致人類極難對(duì)其溯源，就連是什么天體或者怎樣的天體現(xiàn)象產(chǎn)生了它也全無線索。這種神秘與未知，就像一個(gè)彩蛋，對(duì)于每一個(gè)追尋真理的人類而言，都是一種浪漫。

對(duì)此，科學(xué)家們當(dāng)然也沒有放棄摸索。既然核子帶電會(huì)導(dǎo)致無法溯源，那么我們就利用不帶電的粒子來探測(cè)宇宙線源。這其中，最直接、最容易被觀測(cè)的就是光子。

光子的本質(zhì)就是我們常說的電磁波。我們根據(jù)光子所蘊(yùn)含的能量等特性，將其分為了很多種類。除了人類肉眼能看見的可見光，還有大量人類看不見的電磁波，比如能曬傷我們的紫外線，能測(cè)量體溫的紅外線，能拍攝X光片的X射線，能夠殺死癌細(xì)胞的伽馬射線等等，這些不同波段的電磁波，就像一個(gè)個(gè)不同的窗口。而我們通過收集和分析這些不同的電磁波，就能獲取截然不同的宇宙信息。

其中能對(duì)應(yīng)宇宙線源的光子能量，在超高能伽馬能段。通過觀測(cè)超高能伽馬射線，我們就能獲取與宇宙線源的信息。

說起來似乎十分簡(jiǎn)單，可人類卻遲遲沒有打開超高能伽馬能段的觀測(cè)窗口。這是為什么呢？

主要有三個(gè)原因：

第一，在超高能伽馬射線能段，原初的光子數(shù)量極少。即便被稱為“伽馬天文標(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云，每一平方公里一天發(fā)出的超高能伽馬光子還不到一個(gè)，想要觀測(cè)到這些光子，無異于大海撈針；

第二，地球大氣會(huì)吸收這些光子，因此能夠到達(dá)地面、被人們探測(cè)到的光子就更加稀少了；

第三，我們都知道光具有“波粒二象性”，低能光子的行為更像波，而高能光子的行為更像粒子。這些高能光子躲在高能粒子中間，要想甄別并且探測(cè)到這些高能光子極其困難，堪比“沙里淘沙”。

不過俗話說，困難沒有辦法多。我國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）克服了超高能伽馬能段觀測(cè)窗口的種種技術(shù)難題，取得了不凡的發(fā)現(xiàn)與成就。

LHAASO全景概念圖 | 中科院高能所

LHAASO選址于海拔4400米的四川稻城海子山，探測(cè)器陣列占地1.36平方公里。LHAASO的三大法寶確保了它領(lǐng)先的探測(cè)能力：高海拔可以應(yīng)對(duì)地球大氣阻擋的問題；大面積可以解決光子數(shù)量少的挑戰(zhàn)；而開創(chuàng)性地采用多種復(fù)合測(cè)量手段，則極大的提高了測(cè)量精度與光子甄別能力。

LHAASO近景 | 中科院高能所

LHAASO已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了12個(gè)超高能伽馬射線源，揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俚匠^1PeV的宇宙加速器的事實(shí)。而這些發(fā)現(xiàn)，只用了建設(shè)完成1/2的LHAASO探測(cè)器不到一年的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

這里的1PeV指的是什么意思呢？其實(shí)PeV是P和eV組合起來的單位，也就是開頭提到的“拍電子伏”。eV是一種能量單位，叫做電子伏特，代表一個(gè)電子經(jīng)過1伏特的電位差加速后所獲得的動(dòng)能。而1P是1000萬億簡(jiǎn)寫。那么1PeV就代表著一個(gè)電子經(jīng)過1000萬億伏特的加速后所獲得的動(dòng)能。

盡管通過直接測(cè)量這些高能粒子來溯源并不現(xiàn)實(shí)，但是我們可以通過測(cè)量中性的光子來溯源。我們觀測(cè)到了這些光子，表明宇宙中存在相應(yīng)的更高能量的父輩粒子，也說明在源區(qū)存在著將這些父輩粒子加速到如此高能量的宇宙加速器。

同時(shí)，這些超高能伽馬射線源的發(fā)現(xiàn)也意味著人類首次一睹該能段的宇宙“面孔”，這里發(fā)生著宇宙中最劇烈的天體活動(dòng)和最極端的物理環(huán)境，也許蘊(yùn)含了超出人類認(rèn)知的現(xiàn)象和物理規(guī)律，為物理學(xué)家提供了最好的“實(shí)驗(yàn)室”。

PeV光子的探測(cè)是伽馬天文學(xué)的一座里程碑，承載著伽馬天文界的夢(mèng)想，長(zhǎng)期以來一直是伽馬天文發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。在LHAASO此次發(fā)現(xiàn)的這些源中，能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域。這是銀河系在北天區(qū)最亮區(qū)域，擁有多個(gè)具有超大質(zhì)量恒星、伴隨著大量恒星生生死死劇烈活動(dòng)的極其活躍的星團(tuán)，具有復(fù)雜的強(qiáng)激波環(huán)境，是理想的宇宙線加速場(chǎng)所，被稱為“粒子天體物理實(shí)驗(yàn)室”。

天鵝座 | Wikimedia Commons, Till Credner / CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

如同康德所說，我們對(duì)宇宙星空的思考越是深沉和持久，它們?cè)谖倚撵`中喚起的驚奇和敬畏就會(huì)日新月異，不斷增長(zhǎng)。

宇宙到底還藏著多少奧秘？LHAASO還將會(huì)帶給我們多少驚喜？就讓我們拭目以待吧！

作者：劉佳

編輯：張祎 韓越揚(yáng)