什么是宇宙線？這個觀測站希望為宇宙線起源之謎“一錘定音”

LHAASO是目前和未來20年內最強的超高能伽馬射線探測裝置，部分陣列近1年觀測已經接連取得突破性進展，未來有望帶領我們揭開銀河系內宇宙線起源這一世紀之謎，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飛行百萬年，其中有極少部分粒子與地球不期而遇，成為地球上神秘的“天外來客”。

1911年，奧地利物理學家赫斯乘坐氣球，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年的諾貝爾物理學獎。這一發(fā)現(xiàn)開啟了人類探索宇宙奧秘的新篇章。

近日，國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站拉索(LHAASO)正式通過性能工藝驗收，這標志著拉索已經建成，并正式進入科學運行階段。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的高能天體演化和暗物質研究為核心科學目標，正式開始科學運行后每天可以積累1.7億個超高能宇宙線事例和20多億個甚高能宇宙線事例。

什么是宇宙線?

赫斯是通過宇宙線在空氣中產生的電離效應來證明其存在的，隨后產生的首個問題就是宇宙線是什么粒子，這個問題困擾了人類很長時間。

剛開始，大多數(shù)人誤認為它是來自宇宙的一種遠高于X射線的高頻電磁輻射，“宇宙線(即宇宙射線)”這個名字就是美國實驗物理學家密立根在1925年首次提出，雖然這是當時對宇宙線的一種錯誤認識，但是這個名字一直沿用至今。

1932年，美國物理學家康普頓組織了大量人力對地球上不同地理緯度的宇宙線強度進行了測量，發(fā)現(xiàn)了地球磁場對宇宙線強度的調制效應，判定原初的宇宙線是帶電粒子，而不是光子。

如今，人類可以利用先進的粒子鑒別技術，搭載高空氣球、衛(wèi)星或空間站到大氣層頂部直接測定宇宙線的種類，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相互作用規(guī)律的唯一工具。20世紀60年代，人造加速器的發(fā)展和粒子對撞機的出現(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向粒子天體物理方面。

宇宙線源自何方?

迄今為止，人們觀測到的宇宙線粒子的最高能量已達到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子對撞機所能加速粒子能量的1000萬倍。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?這些問題長期推動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題是起源問題，被稱為“世紀之謎”。

宇宙線為帶電粒子，在傳播過程中會被宇宙空間中的磁場影響后偏轉運動方向進而失去源頭位置信息，所以通過宇宙線粒子探測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。中間有兩個明顯特征：在1015eV附近能譜變軟，呈現(xiàn)出“膝”形結構;在1018eV附近能譜變硬，呈現(xiàn)出了“踝”形結構，這些結構蘊含關于宇宙線起源的重要信息。根據銀河系內天體的尺度和磁場強度對宇宙線加速上限的估計，一般認為，“膝”區(qū)能量及以下的宇宙線起源于銀河系內的天體源，而“踝”區(qū)能量以上的宇宙線起源于銀河系外。

宇宙線的測量特征說明其起源于非熱輻射過程，而且能量非常高。人類根據對太陽的認識，認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)源地必然進行著極端劇烈的變化或者具備極端的物理條件。根據伽馬射線天文觀測結果，目前的候選天體主要有超新星及其遺跡星云、脈沖星及其風云、年輕大質量星團、雙星系統(tǒng)、伽馬射線暴、活動星系核等，這些候選源的共同特征是存在強激波。

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可以為宇宙線起源探索提供“一錘定音”的證據。

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程產生，即輕子起源;二是高能強子宇宙線與周圍物質通過強子—強子相互作用的次級中性π介子衰變產生，即強子起源。

強子宇宙線在宇宙線占據絕對主導份額，宇宙線起源問題的研究就是尋找強子宇宙線的起源天體。所以通過伽馬射線觀測尋找宇宙線起源的重點就是確定伽馬射線的輻射機制，排除輕子起源和尋找強子起源證據，但是這同時也是難點所在，因為大部分源在GeV-TeV(1G=109，1T=1012)能區(qū)，很難區(qū)分這兩種輻射機制，目前大部分伽馬射線源傾向于輕子源。

輕子輻射和強子輻射的一個區(qū)分點是在超高能區(qū)。高能電子在星際磁場與輻射場中的冷卻時標隨能量升高而變短，100TeV以上存在Klein-Nishina高能壓低效應，而強子源輻射的100TeV以上伽馬射線不存在這些問題，因此超高能伽馬射線是目前通過伽馬射線確認宇宙線起源的希望，而且可以直接解決能量達PeV(1P=1015)量級的銀河宇宙線起源問題，LHAASO就是為此目標而設計的。

拉索能做什么?

LHAASO作為近年來以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，探測面積達到1.36平方千米，是國際同類裝置西藏羊八井ASγ實驗的20倍和美國HAWC實驗的60倍。LHAASO在超高能區(qū)的靈敏度是國際同類裝置10倍以上，同時也遠高于下一代大型切倫科夫望遠鏡陣列，預計未來相當長時間內在超高能區(qū)保持國際領先。此外，LHAASO還是全球最靈敏的大視場甚高能伽馬射線探測裝置。

基于1/2陣列11個月數(shù)據，LHAASO取得了第一個突破性進展，并于2021年5月17日發(fā)布在《自然》上，即發(fā)現(xiàn)了12個高顯著的穩(wěn)定超高能伽馬射線源，其光子能譜一直延伸到1PeV附近未見明顯截斷，從而確認了銀河系內首批PeV粒子宇宙加速器，并揭示PeV加速器在銀河系內可能普遍存在。這些發(fā)現(xiàn)開啟了超高能伽馬天文觀測時代，表明年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系內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世紀之謎指明了方向。

這次成果還包括記錄到迄今人類觀測到的最高能量光子，能量達1.42±0.13PeV，該區(qū)內部大量存在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。如果LHAASO未來進行深入觀測，則有可能為強子輻射起源提供強有力證據，將成為解開“世紀之謎”的突破口。

2021年7月9日，《科學》發(fā)布了LHAASO的第二個重要科學成果，測量了高能天文學標準燭光蟹狀星云的最高能量端能譜，此次研究不但確認了此范圍內其他實驗幾十年的觀測結果，還將標準燭光的測量范圍由0.3PeV拓展至1.1PeV。

LHAASO預期每年可以記錄到1—2個來自蟹狀星云的PeV光子，未來幾年內將可以探索更多關于PeV粒子加速的奧秘。

LHAASO是目前和未來20年內最強的超高能伽馬射線探測裝置，部分陣列近1年觀測已經接連取得突破性進展，其全陣列已于2021年7月正式開始運行，未來有望帶領我們揭開銀河系內宇宙線起源這一“世紀之謎”，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。

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

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