“拉索”如何揭示銀河系的超能一面？

編者按：習(xí)近平總書記指出，科學(xué)普及是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新發(fā)展的重要基礎(chǔ)性工作。為助力高水平科技自立自強(qiáng)，中國科協(xié)科普部聯(lián)合光明網(wǎng)推出“錨定2035·院士談科學(xué)報(bào)國”系列文章，邀請(qǐng)各領(lǐng)域院士就我國當(dāng)下熱點(diǎn)科技問題給予權(quán)威解答，服務(wù)引導(dǎo)更多科技工作者提升科研科普能力，促進(jìn)全民科學(xué)素質(zhì)提升，為科技強(qiáng)國建設(shè)貢獻(xiàn)科普力量。#千萬IP創(chuàng)科普

宇宙，這個(gè)浩瀚無垠的空間，自古以來就激發(fā)著人類無盡的好奇和探索欲望。兩千年前，屈原在《天問》中探尋宇宙奧秘，“天何所沓？十二焉分？日月安屬？列星安陳？”。今天，中國科學(xué)家用世界領(lǐng)先的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，簡稱拉索），在海拔4410米的稻城，捕捉來自深空的超高能粒子，努力破解宇宙線起源這個(gè)百年科學(xué)難題。

宇宙線的神奇之旅

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們得以通過各種手段探尋宇宙的奧秘。其中，宇宙線作為來自宇宙空間的高能粒子，攜帶著宇宙起源、天體演化等多方面的重要科學(xué)信息，成為了人類探索宇宙的重要途徑。宇宙線主要由質(zhì)子、氦核、鐵核、正負(fù)電子、光子、中微子等多種成分組成，是人類目前能從宇宙深處獲得的唯一物質(zhì)樣本?！坝钪婢€攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動(dòng)等方面的重要科學(xué)信息，研究宇宙線及其起源是人類探索宇宙的重要途徑?！敝袊茖W(xué)院院士、拉索首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理所研究員曹臻介紹。

宇宙線的一個(gè)顯著特點(diǎn)是其能量極高。人類為了研究這些高能粒子，建造了巨大的加速器，如歐洲核子研究組織（CERN）的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)（LHC）。然而，即使是這樣的加速器，也難以達(dá)到宇宙線中能量最高的粒子的水平。這使得宇宙線成為研究極端物理現(xiàn)象和檢驗(yàn)基本物理定律的理想對(duì)象。

宇宙中為什么能加速如此高能量的粒子？它們是怎么加速的？要回答這些問題，需要精確測量宇宙線的性質(zhì)并追溯其源頭。

拉索：捕捉宇宙線的利器

宇宙線粒子進(jìn)入大氣層后，會(huì)與大氣中的原子核相互作用產(chǎn)生次級(jí)粒子，它們繼續(xù)和原子核相互作用，一變十、十變百，重復(fù)很多次次，最終次級(jí)粒子數(shù)最高可達(dá)百億，在空氣中像一場粒子“陣雨”，在億分之一秒內(nèi)散布在數(shù)平方公里的面積上，這個(gè)過程叫做空氣簇射。科學(xué)家建造地基探測器，可以通過探測次級(jí)粒子，也就是這些宇宙線在大氣中或到達(dá)地面后留下的痕跡，反推它們的性質(zhì)和起源。

位于四川稻城海子山的高海拔拉索宇宙線觀測站是目前世界上海拔最高、規(guī)模最大、靈敏度最高的超高能伽馬射線探測裝置之一。

拉索航拍圖/來源于中國科學(xué)院高能物理研究所

拉索觀測站之所以選址在高海拔地區(qū)，是因?yàn)楦吆０蔚貐^(qū)的空氣稀薄，大氣對(duì)宇宙線的吸收較少，有利于捕捉到更多的宇宙線信息，為宇宙線的研究提供了得天獨(dú)厚的優(yōu)勢。拉索創(chuàng)新性采用復(fù)合觀測模式，由5216個(gè)電磁粒子探測器與1188個(gè)繆子探測器聯(lián)合構(gòu)成的1平方公里的地面簇射粒子探測器陣列（KM2A）、3120個(gè)探測單元構(gòu)成的78000平方米的水切倫科夫探測器陣列（WCDA）、18臺(tái)望遠(yuǎn)鏡構(gòu)成的廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列這三種陣列組成。這些探測器用于承接來自外太空的“粒子雨”，能夠精確測量宇宙線的方向、能量和成分等信息，為科學(xué)家提供數(shù)據(jù)資源并深入研究宇宙線的起源、加速機(jī)制以及傳播過程等關(guān)鍵問題。曹臻介紹：“隨著觀測時(shí)間的增加，拉索還可能探測到更高能量宇宙線的加速源，有望解決銀河系宇宙線起源之謎?！?/p>

銀河深處的“超級(jí)加速器”

由于拉索前所未有的超高能伽馬射線探測靈敏度和寬闊的視場，引起伽馬天文研究的革命性變化，僅在初步運(yùn)行期間就在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個(gè)超高能伽馬光源，也就是超高能宇宙加速器候選天體，并記錄到人類觀測到的最高能量光子，達(dá)到1.4PeV（eV“電子伏特”是粒子物理學(xué)中的能量單位，PeV讀作“拍電子伏特”，1PeV = 1×1015 eV），開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的12個(gè)穩(wěn)定伽馬射線源示意圖

來源于中國科學(xué)院高能物理研究所

在此后的2年多里，拉索繼續(xù)觀測到大量來自天鵝座恒星的伽馬光子，發(fā)現(xiàn)了在天鵝座有一個(gè)巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，并從中找到了能量高于1億億電子伏的宇宙線的起源的候選天體。據(jù)介紹，拉索此次發(fā)現(xiàn)的巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，距我們至少5000光年，尺度超過1000萬個(gè)太陽系。泡狀結(jié)構(gòu)內(nèi)有多個(gè)能量超過1千萬億電子伏的光子，最高達(dá)到2千萬億電子伏，發(fā)出這些光子的宇宙線粒子能量是人造加速粒子的幾千倍。這些新的發(fā)現(xiàn)表明泡內(nèi)部存在著“超級(jí)宇宙線加速器”，源源不斷地發(fā)射出超過萬萬億電子伏特的高能宇宙線。

由超級(jí)宇宙線加速器產(chǎn)生的超高能伽馬射線泡示意圖

來源于中國科學(xué)院高能物理研究所

拉索還根據(jù)觀測推斷出泡內(nèi)超級(jí)宇宙線加速器使得周邊星際空間的宇宙線密度顯著高于銀河系內(nèi)宇宙線的平均水平。其所影響的空間范圍甚至遠(yuǎn)超目前觀測到的氣泡尺度，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。

雖然人類100多年前就發(fā)現(xiàn)了宇宙線的存在，但是迄今為止宇宙線的起源仍是一個(gè)謎團(tuán)。“廣袤的宇宙包含了無窮的奧秘，我們永遠(yuǎn)都在探索奧秘的征途之上?！闭绮苷樵菏克裕茖W(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和觀測站建設(shè)的不斷完善，人類對(duì)宇宙線的認(rèn)識(shí)將不斷深化，我們有理由相信，在不久的將來，人類將能夠揭開更多宇宙線的奧秘，為探索宇宙的本質(zhì)和演化歷程作出更大的貢獻(xiàn)。

（中國科學(xué)院院士、LHAASO（拉索）首席科學(xué)家、天府宇宙線研究中心主任、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻在2025天演說科普跨年中的分享，光明網(wǎng)記者田新宇整理）