拉索發(fā)現(xiàn)“巨型泡泡”，邁出揭開銀河系宇宙線起源之謎重要步伐

宇宙線，也稱為宇宙射線，是從外太空來的帶電粒子，宇宙線的起源是當(dāng)代天體物理學(xué)最重大的前沿科學(xué)問題之一。

目前，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，“拉索”）在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個巨型“泡泡”——是超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，這是人類歷史上首次找到能量高于1億億電子伏的宇宙線的起源天體。2月26日，相關(guān)成果于以封面文章的形式發(fā)表在《Science Bulletin》（《科學(xué)通報》）上。

該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成，中國科學(xué)院院士、高能物理研究所研究員曹臻，山東大學(xué)和高能物理研究所聯(lián)合培養(yǎng)博士研究生高川東，高能物理研究所李驄副研究員，南京大學(xué)柳若愚研究員，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)楊睿智教授為論文的共同通訊作者。

地球附近測量到的宇宙線能譜（即宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）在1千萬億電子伏附近呈現(xiàn)出一個拐折結(jié)構(gòu)，因其形狀類似膝關(guān)節(jié)而被稱為宇宙線能譜的“膝”。

科學(xué)家們認為，能量比“膝”低的宇宙線起源于銀河系內(nèi)的天體，而“膝”的存在，也表明銀河系大部分的宇宙線源加速質(zhì)子的能量極限在1千萬億電子伏左右。

然而，究竟何種天體能把宇宙線能量加速到這么高能量，怎樣形成“膝”的能譜結(jié)構(gòu)，仍然是一個未解之謎，也是近年來宇宙線研究中最引人關(guān)注的課題之一。

拉索此次在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)的巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)有多個能量超過1千萬億電子伏的光子分布其中，最高達到2千萬億電子伏?！耙话銇碚f，產(chǎn)生能量為2千萬億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。因此，這表明泡內(nèi)部存在超級宇宙線加速器，源源不斷地產(chǎn)生能量至少達到2億億電子伏的高能宇宙線粒子，并注入到星際空間?！眻F隊相關(guān)負責(zé)人表示。

這些高能宇宙線與星際空間中的氣體物質(zhì)發(fā)生碰撞產(chǎn)生伽馬光子，光子的數(shù)目與周圍氣體的分布呈現(xiàn)清晰的關(guān)聯(lián)，而位于泡中心附近的大質(zhì)量恒星星團（Cygnus OB2星協(xié)）則是超級宇宙線加速器最可能的對應(yīng)天體。

團隊負責(zé)人介紹，星協(xié)是由很多年輕、熾熱的大質(zhì)量恒星組成的密集星團。這些年輕、熾熱的大質(zhì)量恒星又包括表面溫度超過約3萬5千度的恒星（稱為O型星）和表面溫度超過約1萬5千度的恒星（稱為B型星）。這些恒星的輻射強度是太陽的百倍至百萬倍，巨大的輻射壓將恒星表面物質(zhì)吹出，形成了強烈的星風(fēng)，速度可達每秒上千公里。星風(fēng)與周圍星際介質(zhì)的碰撞以及星風(fēng)之間的猛烈碰撞產(chǎn)生了強激波、強湍流的極端環(huán)境，成為強大的粒子加速器。

因此，這是迄今為止人們能夠認證的第一個超級宇宙線加速源，隨著觀測時間的增加，拉索將可能探測到更多的千萬億電子伏乃至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。

圖：天鵝座泡狀結(jié)構(gòu)的流強隨能量分布以及模型擬合結(jié)果

拉索還根據(jù)觀測，推斷出泡內(nèi)超級宇宙線加速器使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，甚至可能遠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。

認識大國重器“拉索”：

拉索是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是由包含5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器的一平方公里地面簇射粒子探測器陣列、7.8萬平方米水切倫科夫探測器陣列以及由18臺廣角切倫科夫望遠鏡組成的復(fù)合陣列。

拉索于2021年7月建成并開始高質(zhì)量穩(wěn)定運行，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置。設(shè)施的運行由中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)，采用通用的國際合作模式，實現(xiàn)設(shè)施平臺與觀測數(shù)據(jù)的開放共享。目前，已有32個國內(nèi)外天體物理研究機構(gòu)成為拉索的國際合作組成員單位，成員約280人。