興奮感來(lái)得快，去得也快。高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO，簡(jiǎn)稱(chēng)“拉索”）團(tuán)隊(duì)成員、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副研究員李驄放下因激動(dòng)而舉起的雙臂。
這是2020年的一天，李驄的面前，放著一張?zhí)禊Z座恒星形成區(qū)的光子能量分布圖。這個(gè)地方離太陽(yáng)系有4000光年至5000光年那么遠(yuǎn)。圖是以“拉索”探測(cè)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)形成的。圖上的兩個(gè)亮白光斑恰好落在星際間氣體分布最密的地方。
“這個(gè)區(qū)域里應(yīng)該有超級(jí)宇宙線加速源！但是……還不夠清晰。”李驄撓了撓頭。
他決定繼續(xù)等待。只要“拉索”能收集到更多超高能光子數(shù)據(jù)，這張圖就能被填得越來(lái)越清晰。
4年后，2024年2月26日，他和他的合作者終于以封面文章形式，在《科學(xué)通報(bào)》上正式發(fā)表了關(guān)于發(fā)現(xiàn)超級(jí)宇宙線加速源的論文。
這次，他們?cè)谔禊Z座恒星形成區(qū)，清晰地看到了一個(gè)巨型超高能伽馬射線泡，尺度有千萬(wàn)個(gè)太陽(yáng)系那么大，質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的幾百萬(wàn)倍。這個(gè)“巨型泡泡”是歷史上首個(gè)被認(rèn)證的超級(jí)宇宙線加速源。它的出現(xiàn)，讓原本可以解釋宇宙線的一些理論模型不再適用。
《科學(xué)通報(bào)》封面圖。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所供圖
巨型泡泡
“里面有個(gè)令人懷疑的東西”
天鵝座是銀河系北部天區(qū)里最亮的地方。每年9月25日晚上8點(diǎn)，天鵝座都會(huì)升上中天。當(dāng)銀河像輕紗一般飄在空中時(shí)，天鵝座就像點(diǎn)綴在輕紗上的顆顆鉆石。
因?yàn)樽銐蛄粒禊Z座也承載了人類(lèi)破解宇宙線起源難題的希望。
宇宙線是宇宙中的帶電粒子，占據(jù)了宇宙星際介質(zhì)的四分之一，主要成分是質(zhì)子。宇宙線的起源問(wèn)題是當(dāng)代天體物理學(xué)最重大的前沿科學(xué)問(wèn)題之一。
2020年，“拉索”找到了12顆由宇宙線產(chǎn)生的超高能光子，有2顆來(lái)自天鵝座，而12顆光子中，能量最高的一顆也在天鵝座，高達(dá)1.4千萬(wàn)億電子伏。
當(dāng)這一消息在2021年5月17日以論文形式刊發(fā)于《自然》雜志時(shí)，全球科學(xué)家大為震驚。不到3年，這篇論文已經(jīng)被引用了380多次，大家都在討論一個(gè)問(wèn)題：“這么高能量的宇宙線和光子是怎么出現(xiàn)的？”
就在全球科學(xué)家百思不解時(shí)，“拉索”又陸續(xù)在天鵝座里找到了另外7顆超高能光子，能量最高的一顆達(dá)到了2千萬(wàn)億電子伏。
集齊了足夠多的超高能光子數(shù)據(jù)后，李驄看到了一張更清晰的圖。圖上，8個(gè)大亮斑幾乎均勻地分布在一個(gè)空間里，它們和周?chē)囊恍┬×涟撸餐M成了一個(gè)泡狀結(jié)構(gòu)，而且，所有亮斑清晰地落在星際空間中氣體物質(zhì)分布密集的地方。
“拉索”觀測(cè)到的高能伽馬射線空間分布，圖中每個(gè)圓點(diǎn)代表“拉索”探測(cè)到的一個(gè)超高能伽馬光子，不同顏色代表不同能量級(jí)別。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所供圖
“這是非常明顯的證據(jù)！說(shuō)明泡泡中心有個(gè)令人懷疑的東西！它在以幾乎恒定的速度產(chǎn)生能量高于1億億電子伏的宇宙線，這些宇宙線與分子云碰撞，產(chǎn)生了超高能光子！”這次，李驄興奮極了。
在南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院研究員柳若愚、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授楊睿智等的支持下，他們果真在泡泡中心的附近，看到了一個(gè)處于極端環(huán)境的大質(zhì)量恒星星團(tuán)。
星團(tuán)里的恒星大多年輕、熾熱，有些表面溫度超過(guò)35000度，有些表面溫度超過(guò)15000度，它們的輻射強(qiáng)度是太陽(yáng)的百倍至百萬(wàn)倍。巨大的輻射壓將恒星表面物質(zhì)吹出，形成了強(qiáng)烈的星風(fēng)，速度可達(dá)每秒上千公里。星風(fēng)與周?chē)请H介質(zhì)發(fā)生碰撞，星風(fēng)之間也猛烈碰撞，致使這里變成了強(qiáng)激波、強(qiáng)湍流的極端區(qū)域。
“這里很可能就是超高能宇宙線誕生的地方。”李驄說(shuō)。他們叫它“超級(jí)宇宙線加速源”（Super PeVatron）。
巨型超高能伽馬射線泡藝術(shù)圖。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所供圖
怎么“加速”的？
“現(xiàn)有模型還解釋不了”
如果天鵝座恒星形成區(qū)是一個(gè)“超級(jí)宇宙線加速源”，那么，這些大質(zhì)量恒星星團(tuán)是怎么產(chǎn)生出超高能宇宙線并讓它們加速的呢？
“現(xiàn)有模型還解釋不了這個(gè)現(xiàn)象。”論文通訊作者、“拉索”首席科學(xué)家曹臻院士告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，“人們需要尋找新的模型。”
現(xiàn)有的理論模型無(wú)法解釋宇宙線的產(chǎn)生和加速機(jī)制，同樣，也難以解釋宇宙線的傳播擴(kuò)散機(jī)制。
以往，天體物理學(xué)家認(rèn)為，星際空間很“空”，宇宙線一旦被注入星際空間，就會(huì)像墨水滴進(jìn)清水一般，迅速擴(kuò)散開(kāi)。但“拉索”的研究結(jié)果顯示，宇宙線的擴(kuò)散速度只是原來(lái)想象的1/100。
“如果很快擴(kuò)散開(kāi)，那么人類(lèi)就沒(méi)有機(jī)會(huì)看到這個(gè)泡泡了。”曹臻說(shuō)。
合作組成員柳若愚推斷，宇宙線的擴(kuò)散速度可能受到了星際磁場(chǎng)影響，這意味著星際磁場(chǎng)的分布不僅不均勻，而且不規(guī)則程度極高。“至于為什么磁場(chǎng)會(huì)形成這樣的分布，則成為一個(gè)更加復(fù)雜的問(wèn)題。”柳若愚說(shuō)。
在推翻現(xiàn)有理論模型的同時(shí)，“拉索”也為天體物理學(xué)家建立新模型提供了線索。
2023年10月9日，“拉索”在《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表論文，提出宇宙中彌散的宇宙線能譜和空間分布與傳統(tǒng)模型預(yù)期存在差異，“傳統(tǒng)模型無(wú)法充分描述觀測(cè)結(jié)果，需要做出重要修改”。論文刊發(fā)至今，已經(jīng)被引用了幾十次，學(xué)界正在重新審視宇宙線和星際介質(zhì)相互作用的模型。
“這一次，我們看到的泡泡，給大家提供了一個(gè)可能的解釋。”曹臻說(shuō)，“泡內(nèi)超級(jí)宇宙線加速器可能使得周邊星際空間的宇宙線密度顯著高于銀河系內(nèi)的宇宙線平均水平，其所影響的空間范圍甚至遠(yuǎn)超目前觀測(cè)到的氣泡尺度。”
看到“拉索”的新成果時(shí)，意大利國(guó)家天體物理研究所（INAF）Elena Amato教授感慨：“這些結(jié)果不僅對(duì)銀河系彌散伽馬輻射的理解有重要影響，還直接關(guān)系到怎樣描述宇宙線在銀河系內(nèi)的傳播過(guò)程。”
“拉索”航拍圖。中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所供圖
提升能力
“逼近宇宙線起源問(wèn)題的終極答案”
宇宙線從發(fā)現(xiàn)至今，已有100多年的歷史，但是人類(lèi)始終沒(méi)能成功闡釋宇宙線“從哪里來(lái)”“怎么來(lái)的”等問(wèn)題。
“我們將尋找更多的超級(jí)宇宙線加速源。隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，‘拉索’有可能探測(cè)到更多的千萬(wàn)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。”曹臻說(shuō)。
“拉索”是以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，也是國(guó)際上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山。從2019年4月起，“拉索”邊建設(shè)、邊運(yùn)行，至2021年7月正式建成并穩(wěn)定運(yùn)行。目前，已有32個(gè)國(guó)內(nèi)外天體物理研究機(jī)構(gòu)成為“拉索”國(guó)際合作組成員單位，成員約280人。
曹臻告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，未來(lái)，“拉索”國(guó)際合作組還希望摸清宇宙線起源相關(guān)的更基礎(chǔ)的問(wèn)題。
“要往‘里頭’走，這里面涉及的基礎(chǔ)物理問(wèn)題非常豐富，例如，宇宙線粒子到底是怎么被加速的。”曹臻說(shuō)，“要解決這些問(wèn)題，不僅需要‘拉索’拓展現(xiàn)有探測(cè)能力，也需要其他的觀測(cè)裝置來(lái)幫忙。”
“它存在一個(gè)小問(wèn)題，它的空間分辨能力不夠強(qiáng)，這會(huì)對(duì)它將來(lái)進(jìn)一步探測(cè)宇宙線具體加速過(guò)程造成限制”。
為了進(jìn)一步提升空間分辨能力，“拉索”已規(guī)劃再建32臺(tái)望遠(yuǎn)鏡，以“更清晰地識(shí)別超高能宇宙線的發(fā)射位置，逼近宇宙線起源問(wèn)題的終極答案。”曹臻說(shuō)。
與此同時(shí)，曹臻介紹，中國(guó)科學(xué)院正在組織建制化的研究體系，將“拉索”、中國(guó)天眼、愛(ài)因斯坦探針衛(wèi)星、“銀河畫(huà)卷”巡天計(jì)劃等聯(lián)合起來(lái)，形成有組織的合作團(tuán)隊(duì)，從各個(gè)層面深入探尋宇宙線的起源問(wèn)題。
除了提升探測(cè)能力之外，“拉索”團(tuán)隊(duì)也在努力提升理論分析能力。
“大量新的現(xiàn)象，現(xiàn)有模型解釋不了，太難了，絕對(duì)不是把原來(lái)的老東西翻出來(lái)，隨便比劃比劃就能搞得定的。所以，這是一個(gè)更加長(zhǎng)期的工作。”曹臻說(shuō)。
他介紹，為了發(fā)展新理論，“拉索”團(tuán)隊(duì)正在組織全國(guó)科研力量開(kāi)展宇宙線理論研究。
“‘拉索’合作組不但要把實(shí)驗(yàn)做好，還要把理論研究做得更深入，讓‘拉索’的成果真正寫(xiě)進(jìn)教科書(shū)里去，寫(xiě)到人類(lèi)發(fā)展的歷史中去。”曹臻說(shuō)。
相關(guān)論文鏈接：
https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.040
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03498-z
https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.151001
本文鏈接：歷史首次！“拉索”認(rèn)證超級(jí)宇宙線加速源http://m.sq15.cn/show-11-3247-0.html
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