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5月17日

國家重大科技基礎設施

“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)”公布

在銀河系內發(fā)現(xiàn)

大量超高能宇宙加速器

并記錄到能量達1.4拍電子伏的

伽馬光子（拍=千萬億）

這是人類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”的時代

四川LHAASO如何破解宇宙演化之謎

這些發(fā)現(xiàn)將于

2021年5月17日發(fā)表在《Nature》(自然)

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

看不懂？

那是因為你沒搞清楚這些

科普來了！

01

什么是LHAASO？它到底有多牛？

LHAASO(Large High Altitude Air Shower Observatory) 全稱為：高海拔宇宙線觀測站。

2017年，國家重大科技基礎設施——LHAASO在四川稻城海子山開建，經過4年建設，預計今年7月將整體完工。

具體來說，它是捕捉“天外來客”的“火眼金睛”、國之重器，它是目前世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線觀測站，它將助力于破解宇宙線起源這一“世紀之謎”，在建設過程中，它已經陸續(xù)有1/2、3/4的陣列投入科學運行。

LHAASO的核心科學目標就是：探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化，尋找暗物質。

LHAASO憑借其高海拔、大面積以及極強的背景排除能力成為世界上最靈敏度的超高能伽馬射線觀測站，就在四川稻城的海子山上；項目還沒建完，就取得了重大成果，你說牛不牛？

02

什么是宇宙線？我們?yōu)槭裁匆^測它？

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，是連接宇觀與微觀的重要載體，對它們的研究貫穿粒子物理學、宇宙學、天體物理學三大學科領域，直接關系宇宙中高能粒子如何被加速以及怎么傳播，是人類探索宇宙及其演化的重要途徑。

03

“超高能宇宙加速器”——到底是什么？

能將宇宙線加速到高達千萬億電子伏特（PeV）級別的天體，被稱為“拍電子伏宇宙加速器”（PeVatron），又名超高能宇宙加速器。

超高能宇宙線加速器可能是銀河系內活動最為劇烈的天體。根據(jù)理論模型，超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質量黑洞等，是最可能的超高能宇宙加速器。

04

如何理解“人類觀測到的最高能量光子”？

LHAASO探測到來自銀河系內的能量1.4拍電子伏的伽馬光子（拍=千萬億），這是人類迄今觀測到的最高能量光子。這個光子，改變了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認知。要知道，人類在地球上建造的最大加速器（歐洲核子研究中心的LHC）只能將粒子加速到0.01拍電子伏。

此前，銀河系內的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”，過去預言其輻射出的光子的能量極限就在0.1拍電子伏附近，而LHAASO的新發(fā)現(xiàn)完全打破了這個極限，為我們開辟了一個全新的探索空間。

05

“超高能伽馬天文學”的新時代來了？

1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)超過兩百多個“甚高能”伽馬射線源。但是，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。

令人驚喜的是，僅基于1/2規(guī)模的LHAASO不到1年的觀測數(shù)據(jù)，就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個。

隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預見這一最高能量的天文學研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的“超高能宇宙”，為探索極端天體物理現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù)。

我們知道，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。在銀河系之外，即使它們產生出來，由于被背景輻射嚴重吸收，我們也接受不到。由此可見，LHAASO打開的這個在PeV能量觀測銀河系的窗口，對于研究遙遠的宇宙也具有特殊意義。

發(fā)現(xiàn)拍電子伏宇宙加速器和PeV光子

有何意義？

具體來說有以下三個方面的科學突破。

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。這突破了當前流行的理論模型所宣稱的銀河系宇宙線加速PeV能量極限。同時，LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內大量存在PeV宇宙加速源，也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。

開啟“超高能伽馬天文學”時代。1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺成功發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)超過兩百個“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(guī)模的LHAASO不到1年的觀測數(shù)據(jù)，就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個。

隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預見這一最高能量的天文學研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知的“超高能宇宙”，為探索宇宙極端天體物理現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù)。LHAASO打開銀河系PeV輻射探測窗口，對于研究遙遠的宇宙也具有特殊意義。

此外，能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮的區(qū)域，擁有多個大質量恒星星團，大質量恒星的壽命只有幾百萬年，因此星團內部充滿了恒星生生死死的劇烈活動，具有復雜的強激波環(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”。

LHAASO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注的區(qū)域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區(qū)。這個區(qū)域將是LHAASO以及相關的多波段、多信使天文觀測設備關注的焦點，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。

文章關鍵字： 超高 宇宙 宇宙線 LHAASO 伽馬射線 編輯：佘皎蕖