征途多开启动器人类首次找到并定位超级宇宙线加速源

征途多开启动器本文转自：文汇报

征途多开启动器“拉索”国际合作组在天鹅座恒星形成区发现巨型超高能伽马射线泡

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征途多开启动器《科学通报》封面。（均“拉索”国际合作组供图）制图：张继

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征途多开启动器“拉索”发现巨型超高能伽马射线泡并认证第一个超级宇宙线加速源。

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征途多开启动器天鹅座泡状结构的流强随能量分布以及模型拟合结果。■本报记者许琦敏

征途多开启动器■在我国大科学装置高海拔宇宙线观测站“拉索”（LH..AASO）的灵敏观测加持下，由中国科学院高能物理研究所牵头的“拉索”国际合作组在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构。这是人类历史上首次找到并定位能量高于10PeV的宇宙线起源天体

千呼万唤始出来——在我国大科学装置高海拔宇宙线观测站“拉索”（LH..AASO）的灵敏观测加持下，由中国科学院高能物理研究所牵头的“拉索”国际合作组在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构。这是人类历史上首次找到并定位能量高于10PeV（相当于1亿亿电子伏特）的宇宙线起源天体。今天，知名学术期刊《科学通报》以封面文章的形式发表了这一发现。

“拉索”捕获粒子能量已超2.5PeV

宇宙线是从外太空来的带电粒子，其主要成分为质子。宇宙线的起源是当*天体物理学最重大的前沿科学问题之一。过往大量观测发现，宇宙线的能谱（即宇宙线数量在粒子能量上的分布）在1千万亿电子伏附近呈现出一个拐折结构，因其形状类似膝关节而被称为宇宙线能谱的“膝”。

科学家认为，能量比“膝”低的宇宙线起源于银河系内的天体，而“膝”的存在也表明银河系大部分宇宙线源加速质子的能量极限在1千万亿电子伏左右。然而，究竟何种天体能把宇宙线能量加速到这么高，形成“膝”的能谱结构？这个未解之谜，成为近年来宇宙线研究领域最为关注的课题之一。

以探索宇宙线起源为使命，“拉索”自2019年5月首批探测器投入观测以来，已发现大量超高能宇宙线粒子。2021年5月，“拉索”在《自然》杂志发表论文，宣布在人类历史上首次发现能量达1.4PeV的超高能量光子，在该光子的来源——天鹅座方向附近区域内，发现了12个超高能宇宙加速源的候选天体。

此次论文通讯作者之一、中国科学院院士、高能物理研究所研究员曹臻说，此前自己一篇最高引用的论文被引到1000次，花了二十多年，这篇两年多前在《自然》发表的论文被引次数已超过380次，可见“拉索”的发现多么火爆，“现在，‘拉索’记录到的粒子能量已超过2.5PeV”。

星风激荡造就超高能宇宙线加速器

此次“拉索”发现的巨型超高能伽马射线泡状结构，就在天鹅座恒星形成区内。曹臻介绍，迄今发现的能量在1PeV以上的光子中，至少有8个分布在天鹅座，能量最高达2.5PeV。

能源源不断地产生这么多高能宇宙线粒子，并注入到星际空间中，说明这些宇宙泡泡内存在超级宇宙线加速器。因为一般来说，要产生能量为2PeV的伽马光子，至少需要能量高出其10倍的宇宙线粒子。

通过伽马射线流强分布，科学家定位到了泡泡的准确位置。“泡泡的中心是天鹅座的一个恒星形成区，或者叫大质量恒星团。”曹臻说，“这些泡泡发出的伽马光实在太亮了，在‘拉索’的视线中，与泡泡的亮度相比，我们看起来明亮辉煌的太阳，就好像太阳光下的月亮一般暗淡。”

这个大质量恒星团是超级宇宙线加速器最可能的对应天体，这里紧密集聚着年轻、炽热的大质量恒星，表面温度约1.5万摄氏度至3.5万摄氏度。在这个密集星团中，恒星的辐射强度是太阳的百倍至百万倍。“巨大的辐射压将恒星表面物质吹出，形成了强烈的星风，速度可达每秒上千公里。”曹臻解释，星风与周围星际介质的碰撞，以及星风之间的猛烈碰撞，产生了大量强激波、强湍流。这种极端环境造就了强大的宇宙粒子加速器。

宇宙线扩散速度比预想慢上百倍

这是迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源。随着观测时间的增加，“拉索”将可能探测到更多千万亿电子伏特乃至更高能量的宇宙线加速源，有望破解银河系宇宙线起源之谜。

让“拉索”国际合作组专家感到欣喜的是，目前巨型超高能伽马射线泡所表现出的所有特X，与泡泡中心存在一个宇宙线粒子超级加速器的行为很好地吻合——这些被加速出来的高能宇宙线注入到星际空间后，与其中的气体物质发生碰撞产生伽马光子，光子的数目与周围气体的分布呈现清晰的关联。

根据“拉索”的观测，科学家推断出泡内超级宇宙线加速器使得周边星际空间的宇宙线密度显著高于银河系内宇宙线的平均水平。“这是我们的另一个重要发现，由此可以推断，宇宙线的扩散速度远比原来认为的慢。”曹臻解释，这就好比一滴墨滴到水里，如果扩散速度非常快，人们就很难找到墨滴入水时的位置，“我们能发现泡泡的存在，说明宇宙线扩散可能比预想的慢上百倍”。

此外，这一宇宙泡泡所影响的空间范围可能远远超过目前观测到的气泡尺度。这为“拉索”此前探测到的银河系弥散伽马射线辐射超出理论预测，提供了一种可能的解释。

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关于“拉索”国际合作组

“拉索”是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置。设施的运行由中国科学院高能物理研究所承担，采用通用的国际合作模式，实现设施平台与观测数据的开放共享。目前，已有32个国内外天体物理研究机构成为“拉索”的国际合作组成员单位，成员约280人。