什么是宇宙線？這個(gè)觀測(cè)站希望為宇宙線起源之謎“一錘定音”

LHAASO是目前和未來(lái)20年內(nèi)最強(qiáng)的超高能伽馬射線探測(cè)裝置，部分陣列近1年觀測(cè)已經(jīng)接連取得突破性進(jìn)展，未來(lái)有望帶領(lǐng)我們揭開(kāi)銀河系內(nèi)宇宙線起源這一世紀(jì)之謎，并在超高能伽馬波段這一最高能量電磁波窗口探索浩瀚宇宙。

浩瀚宇宙，渺渺星空，在空蕩蕩的星際空間，有許多肉眼不可見(jiàn)的微觀高能粒子在以接近光速飛行。平均而言，這些粒子可以在銀河系內(nèi)飛行百萬(wàn)年，其中有極少部分粒子與地球不期而遇，成為地球上神秘的“天外來(lái)客”。

1911年，奧地利物理學(xué)家赫斯乘坐氣球，飛行到5千米的高空，首次發(fā)現(xiàn)這位來(lái)自宇宙的“客人”，這位“客人”被命名為“宇宙線”，赫斯也因宇宙線的發(fā)現(xiàn)獲得了1936年的諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這一發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了人類探索宇宙奧秘的新篇章。

近日，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測(cè)站拉索(LHAASO)正式通過(guò)性能工藝驗(yàn)收，這標(biāo)志著拉索已經(jīng)建成，并正式進(jìn)入科學(xué)運(yùn)行階段。建在4000米高海拔山端的拉索，以探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的高能天體演化和暗物質(zhì)研究為核心科學(xué)目標(biāo)，正式開(kāi)始科學(xué)運(yùn)行后每天可以積累1.7億個(gè)超高能宇宙線事例和20多億個(gè)甚高能宇宙線事例。

什么是宇宙線?

赫斯是通過(guò)宇宙線在空氣中產(chǎn)生的電離效應(yīng)來(lái)證明其存在的，隨后產(chǎn)生的首個(gè)問(wèn)題就是宇宙線是什么粒子，這個(gè)問(wèn)題困擾了人類很長(zhǎng)時(shí)間。

剛開(kāi)始，大多數(shù)人誤認(rèn)為它是來(lái)自宇宙的一種遠(yuǎn)高于X射線的高頻電磁輻射，“宇宙線(即宇宙射線)”這個(gè)名字就是美國(guó)實(shí)驗(yàn)物理學(xué)家密立根在1925年首次提出，雖然這是當(dāng)時(shí)對(duì)宇宙線的一種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，但是這個(gè)名字一直沿用至今。

1932年，美國(guó)物理學(xué)家康普頓組織了大量人力對(duì)地球上不同地理緯度的宇宙線強(qiáng)度進(jìn)行了測(cè)量，發(fā)現(xiàn)了地球磁場(chǎng)對(duì)宇宙線強(qiáng)度的調(diào)制效應(yīng)，判定原初的宇宙線是帶電粒子，而不是光子。

如今，人類可以利用先進(jìn)的粒子鑒別技術(shù)，搭載高空氣球、衛(wèi)星或空間站到大氣層頂部直接測(cè)定宇宙線的種類，知道了宇宙線主要是由帶正電的原子核組成，其中含量最高的是質(zhì)子(即氫原子核)，還有元素周期表中的多種原子核，還包含少量光子、電子、中微子以及反粒子等。

在人造粒子加速器誕生之前的時(shí)代，宇宙線是唯一的高能粒子源，是人類研究高能微觀粒子與物質(zhì)相互作用規(guī)律的唯一工具。20世紀(jì)60年代，人造加速器的發(fā)展和粒子對(duì)撞機(jī)的出現(xiàn)，讓宇宙線在粒子物理中的作用被取代，宇宙線的研究也逐漸轉(zhuǎn)向粒子天體物理方面。

宇宙線源自何方?

迄今為止，人們觀測(cè)到的宇宙線粒子的最高能量已達(dá)到1020電子伏特(eV)，是人類最大的粒子加速器——歐洲核子中心大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)所能加速粒子能量的1000萬(wàn)倍。這么高能量的宇宙線起源于什么天體?它們是如何被加速到極端高的能量的?這些問(wèn)題長(zhǎng)期推動(dòng)著人類去探索宇宙和大自然的奧秘，其中最基本最核心的問(wèn)題是起源問(wèn)題，被稱為“世紀(jì)之謎”。

宇宙線為帶電粒子，在傳播過(guò)程中會(huì)被宇宙空間中的磁場(chǎng)影響后偏轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)而失去源頭位置信息，所以通過(guò)宇宙線粒子探測(cè)并不能找到宇宙線的起源天體。宇宙線的能譜從1011eV到1020eV大體呈現(xiàn)為冪律形式，表現(xiàn)為非熱加速起源特性。中間有兩個(gè)明顯特征：在1015eV附近能譜變軟，呈現(xiàn)出“膝”形結(jié)構(gòu);在1018eV附近能譜變硬，呈現(xiàn)出了“踝”形結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)蘊(yùn)含關(guān)于宇宙線起源的重要信息。根據(jù)銀河系內(nèi)天體的尺度和磁場(chǎng)強(qiáng)度對(duì)宇宙線加速上限的估計(jì)，一般認(rèn)為，“膝”區(qū)能量及以下的宇宙線起源于銀河系內(nèi)的天體源，而“踝”區(qū)能量以上的宇宙線起源于銀河系外。

宇宙線的測(cè)量特征說(shuō)明其起源于非熱輻射過(guò)程，而且能量非常高。人類根據(jù)對(duì)太陽(yáng)的認(rèn)識(shí)，認(rèn)為普通的恒星不可能把粒子加速到如此高的能量。因此，宇宙線的發(fā)源地必然進(jìn)行著極端劇烈的變化或者具備極端的物理?xiàng)l件。根據(jù)伽馬射線天文觀測(cè)結(jié)果，目前的候選天體主要有超新星及其遺跡星云、脈沖星及其風(fēng)云、年輕大質(zhì)量星團(tuán)、雙星系統(tǒng)、伽馬射線暴、活動(dòng)星系核等，這些候選源的共同特征是存在強(qiáng)激波。

如何探尋宇宙線?

高能伽馬天文、高能中微子天文、極高能宇宙線天文是尋找宇宙線起源的三大重要支柱。高能中微子和極高能宇宙線天體源的探測(cè)可以為宇宙線起源探索提供“一錘定音”的證據(jù)。

此外，伽馬射線是示蹤其父輩帶電粒子加速的重要探針，這些伽馬射線天體源為宇宙線起源天體的尋找提供了重要的候選天體。伽馬輻射存在兩種可能的起源：一是高能電子與低能光子逆康普頓散射過(guò)程產(chǎn)生，即輕子起源;二是高能強(qiáng)子宇宙線與周圍物質(zhì)通過(guò)強(qiáng)子—強(qiáng)子相互作用的次級(jí)中性π介子衰變產(chǎn)生，即強(qiáng)子起源。

強(qiáng)子宇宙線在宇宙線占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)份額，宇宙線起源問(wèn)題的研究就是尋找強(qiáng)子宇宙線的起源天體。所以通過(guò)伽馬射線觀測(cè)尋找宇宙線起源的重點(diǎn)就是確定伽馬射線的輻射機(jī)制，排除輕子起源和尋找強(qiáng)子起源證據(jù)，但是這同時(shí)也是難點(diǎn)所在，因?yàn)榇蟛糠衷丛贕eV-TeV(1G=109，1T=1012)能區(qū)，很難區(qū)分這兩種輻射機(jī)制，目前大部分伽馬射線源傾向于輕子源。

輕子輻射和強(qiáng)子輻射的一個(gè)區(qū)分點(diǎn)是在超高能區(qū)。高能電子在星際磁場(chǎng)與輻射場(chǎng)中的冷卻時(shí)標(biāo)隨能量升高而變短，100TeV以上存在Klein-Nishina高能壓低效應(yīng)，而強(qiáng)子源輻射的100TeV以上伽馬射線不存在這些問(wèn)題，因此超高能伽馬射線是目前通過(guò)伽馬射線確認(rèn)宇宙線起源的希望，而且可以直接解決能量達(dá)PeV(1P=1015)量級(jí)的銀河宇宙線起源問(wèn)題，LHAASO就是為此目標(biāo)而設(shè)計(jì)的。

拉索能做什么?

LHAASO作為近年來(lái)以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，探測(cè)面積達(dá)到1.36平方千米，是國(guó)際同類裝置西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)的20倍和美國(guó)HAWC實(shí)驗(yàn)的60倍。LHAASO在超高能區(qū)的靈敏度是國(guó)際同類裝置10倍以上，同時(shí)也遠(yuǎn)高于下一代大型切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列，預(yù)計(jì)未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在超高能區(qū)保持國(guó)際領(lǐng)先。此外，LHAASO還是全球最靈敏的大視場(chǎng)甚高能伽馬射線探測(cè)裝置。

基于1/2陣列11個(gè)月數(shù)據(jù)，LHAASO取得了第一個(gè)突破性進(jìn)展，并于2021年5月17日發(fā)布在《自然》上，即發(fā)現(xiàn)了12個(gè)高顯著的穩(wěn)定超高能伽馬射線源，其光子能譜一直延伸到1PeV附近未見(jiàn)明顯截?cái)?，從而確認(rèn)了銀河系內(nèi)首批PeV粒子宇宙加速器，并揭示PeV加速器在銀河系內(nèi)可能普遍存在。這些發(fā)現(xiàn)開(kāi)啟了超高能伽馬天文觀測(cè)時(shí)代，表明年輕的大質(zhì)量星團(tuán)、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系內(nèi)加速超高能宇宙線的最佳候選天體，為破解宇宙線起源這個(gè)世紀(jì)之謎指明了方向。

這次成果還包括記錄到迄今人類觀測(cè)到的最高能量光子，能量達(dá)1.42±0.13PeV，該區(qū)內(nèi)部大量存在恒星生生死死的劇烈活動(dòng)，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。如果LHAASO未來(lái)進(jìn)行深入觀測(cè)，則有可能為強(qiáng)子輻射起源提供強(qiáng)有力證據(jù)，將成為解開(kāi)“世紀(jì)之謎”的突破口。

2021年7月9日，《科學(xué)》發(fā)布了LHAASO的第二個(gè)重要科學(xué)成果，測(cè)量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光蟹狀星云的最高能量端能譜，此次研究不但確認(rèn)了此范圍內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)幾十年的觀測(cè)結(jié)果，還將標(biāo)準(zhǔn)燭光的測(cè)量范圍由0.3PeV拓展至1.1PeV。

LHAASO預(yù)期每年可以記錄到1—2個(gè)來(lái)自蟹狀星云的PeV光子，未來(lái)幾年內(nèi)將可以探索更多關(guān)于PeV粒子加速的奧秘。

LHAASO是目前和未來(lái)20年內(nèi)最強(qiáng)的超高能伽馬射線探測(cè)裝置，部分陣列近1年觀測(cè)已經(jīng)接連取得突破性進(jìn)展，其全陣列已于2021年7月正式開(kāi)始運(yùn)行，未來(lái)有望帶領(lǐng)我們揭開(kāi)銀河系內(nèi)宇宙線起源這一“世紀(jì)之謎”，并在超高能伽馬波段這一最高能量電磁波窗口探索浩瀚宇宙。

(作者系中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員 陳松戰(zhàn)，原載于《前沿科學(xué)》2021年第3期，有刪節(jié))

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