2月26日，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，以下簡稱“拉索”）再次公布一項宇宙線起源研究中里程碑式的突破—在距離我們約5000光年之外的天鵝座恒星形成區(qū)，拉索發(fā)現(xiàn)了一個直徑達1000光年的巨型超高能伽馬射線泡，首次定位了銀河系中的超級宇宙線加速器。拉索是目前，也是未來一段時間內全世界最靈敏的超高能伽馬射線望遠鏡。如今，在美麗的稻城海子山上，這座占地1平方公里的大型天文學觀測陣列，正持續(xù)搜尋著宇宙中極為罕見的超高能伽馬射線光子的蹤跡。

捕捉：通過超高能伽馬射線來測量宇宙線

宇宙線也稱宇宙射線，是來自宇宙空間中的高速帶電粒子，主要成分是質子，也包含了各種原子核、電子以及一些反物質粒子。自從1912年首次被奧地利物理學家維克托·赫斯發(fā)現(xiàn)以來，宇宙線便在物理學的發(fā)展中起到重要作用，很多新粒子便是在宇宙線中發(fā)現(xiàn)，大大推進了我們對宇宙中基本物理規(guī)律的認知。

雖然宇宙線粒子的數密度低，但單個粒子的能量高，因此星際空間中宇宙線粒子的能量密度與光子場、磁場、氣體相當，是星際空間中的一種基本且重要的能量組成部分。宇宙線粒子的能量分布范圍很廣，最高可達3×1020電子伏，超出目前最強的人造粒子加速器（即歐洲核子研究中心的大型強子對撞機）可加速的最高粒子能量幾千萬倍。這些帶電粒子如何獲得、在何處獲得如此之高的能量，引起了物理學家與天文學家們的廣泛興趣。

21世紀初，美國國家委員會將宇宙線的起源與加速問題列為新世紀物理學的11個基本問題之一，學術期刊《科學》于2021年發(fā)布的125個科學前沿問題中，宇宙線的起源問題也位列其中。

實際上，經過100多年的研究，科學家們對宇宙線的起源已經有了一定程度的了解。通過對宇宙線能譜（即宇宙線粒子數目隨能量的分布）的測量，科學家們發(fā)現(xiàn)其大致呈現(xiàn)出一種被稱為冪率形式的非熱分布，這與我們所熟悉的熱分布（如一杯50度的溫水中，水分子的能量分布形式為溫度為50度的熱分布，而我們無法定義一團宇宙線粒子的溫度）形式有明顯區(qū)別。宇宙線能譜在能量為1015電子伏（或1拍電子伏，1拍=1015）附近有一個因形似人體膝關節(jié)而被稱為“膝”的拐折結構。科學家們認為，能量在該拐折結構之下的宇宙線主要起源于銀河系內的天體，而該結構也反映出銀河系主要的宇宙線加速源的加速能力極限就在1拍電子伏附近。

然而，究竟是銀河系內的哪些天體產生了能量直到“膝”處的宇宙線，仍然是一個未解之謎，也是近10年來研究的一個熱點問題。宇宙線加速源的定位，難以通過對宇宙線自身的測量來完成，這是因為宇宙中無處不在的磁場會改變帶電粒子的運動方向。所以，當宇宙線到達地球時，其速度方向的反向延長線并不會指向它們的加速源。但另一方面，這些高能宇宙線可能在加速源內或附近產生輻射，輻射出的光子的運動方向不受磁場影響，如果能辨認出這些高能宇宙線輻射出的光子，便能夠通過它們來定位宇宙線的加速源。

在銀河系的大部分環(huán)境中，宇宙線質子的主要輻射方式是通過與物質中的原子核（主要是氫原子核，也即質子）強相互作用而產生的。中性π介子會在所謂的質子-質子碰撞中產生，它們會迅速衰變?yōu)楣庾?，每個光子大約攜帶高能質子10%的能量。因此，如果要研究1拍電子伏宇宙線質子的起源，我們需要尋找能量在0.1拍電子伏之上的光子，該能量之上的光子也被稱為超高能伽馬光子或超高能伽馬射線。但另一方面，高能的電子同樣有可能輻射超高能伽馬射線。所以，當我們通過搜尋伽馬射線源來定位宇宙線加速源時，還需要辨認這些伽馬射線的輻射機制，找到真正由宇宙線質子產生的超高能伽馬射線源。為此，我們需要對超高能伽馬射線源進行高精度的測量，這便是拉索可以大顯身手的舞臺。

最靈敏：鍛造地面超高能伽馬射線探測器

超高能伽馬光子的探測難度主要有兩點：一是這些光子的流量（單位時間通過單位面積的光子數）較低，二是這些光子往往淹沒在作為背景的宇宙線中，難以辨認。超高能伽馬光子在進入地球大氣層后，會與大氣層中的物質發(fā)生一系列反應。初始光子被吸收，但同時會產生很多次級粒子，成分主要是正負電子對。這個過程被稱為廣延大氣簇射。

因此，對超高能伽馬光子（包括較低能的一些甚高能伽馬光子）的探測，并不是直接使用望遠鏡去收集初始光子，而是通過測量它們在大氣層中產生的次級粒子，來反推出初始光子的能量與方向等基本信息。

拉索對超高能伽馬光子的測量，主要是通過由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里的地面簇射粒子探測器陣列來完成。陣列覆蓋的面積大，這在一定程度上彌補了超高能伽馬射線微弱的流量。此外，拉索的繆子探測器能夠有效區(qū)分光子引起的信號與宇宙線引起的信號。這是因為宇宙線質子或原子核與大氣層的相互作用，除了產生正負電子對，還會產生大量的繆子。通過繆子探測器，拉索可以將由宇宙線引發(fā)的廣延大氣簇射事件去除，從而把背景事件的數量壓低上萬乃至幾十萬倍，以便輕松將光子產生的信號挑出。

在拉索運行之前，宇宙中已知的超高能伽馬射線源僅有蟹狀星云，是由同樣位于青藏高原、中日合作的探測器ASγ于2019年探測到的。2019年底，拉索開始以當時已完成建設的一半探測陣列運行，11個月內便探測到了連同蟹狀星云在內的12個超高能伽馬射線源，不僅將蟹狀星云的最高能光子大幅提升至1.1拍電子伏，還在天鵝座恒星形成區(qū)測量到了能量高達1.4拍電子伏的光子，創(chuàng)下了有史以來測量到的最高光子能量紀錄。2021年7月完成全陣列的建設后更是火力全開，一年內將超高能伽馬射線源的數量一口氣提升到了43個?？梢哉f，拉索憑借優(yōu)越的性能，開啟了在超高能伽馬射線能段對宇宙觀測的新窗口。

里程碑：確認天鵝座的巨型“泡泡”是宇宙線源

經過3年多的觀測，拉索在天鵝座恒星形成區(qū)，發(fā)現(xiàn)了一個直徑超過一千光年的巨型超高能伽馬射線泡（下文簡稱伽馬泡），其中有8個光子能量超過了1拍電子伏，最高能量達到了2.5拍電子伏，再次刷新了最高光子能量的紀錄。通過比較伽馬泡的形態(tài)與該區(qū)域的氣體分布可以發(fā)現(xiàn)，二者有一定的相關性，暗示了伽馬泡起源于宇宙線質子的輻射過程。在伽馬泡的中心區(qū)域，光子的分布較為集中，相較于泡內的平均光子密度呈現(xiàn)出明顯的超出，這表明泡中心必定存在一個宇宙線加速源，向周圍持續(xù)注入宇宙線。2.5拍電子伏光子的出現(xiàn)，表明了這個宇宙線加速源能夠加速出約25拍電子伏的質子，該能量已經大大超出傳統(tǒng)認為的銀河系宇宙線源能夠加速的最高質子能量，也即宇宙線能譜的“膝”結構所對應的能量。

在伽馬泡中心的方向上，最可能作為加速源的天體，便是天鵝座恒星形成區(qū)中的一個名為天鵝座OB2的OB星團。星團，指大量恒星因為相互之間的引力作用組成的集團。按照恒星的表面溫度，大體上可以將它們分為7類，按照溫度從高到低分別用OBAFGKM7個字母來代表。其中O型星表面溫度超過3萬度，它們的質量可超太陽10倍甚至百倍，而光度則能達到太陽的萬倍甚至百萬倍。強大的光度來源于恒星中心劇烈的核聚變過程，使得這些恒星的壽命非常“短暫”，僅能持續(xù)幾百萬至上千萬年（太陽的壽命約100億年）。因此，包含大量O型星與B型星的星團必定處于演化的早期階段，可稱得上年輕。此外，OB星相對于溫度較低、質量較小的恒星而言，數量極為稀少，聚集了大量O型星與B型星的星團中必然包含了更多的小質量恒星，使得星團的總質量很大，因此它們也被稱為年輕大質量星團。

天鵝座OB2中在幾十光年見方的區(qū)域內包含了幾百顆O型星與B型星這種大質量恒星，這些恒星強大的光壓將表面的物質向外吹出，形成高速的星風，蘊含了巨大的動能。在如此狹小的空間內，星風之間相互猛烈碰撞，形成強激波、強湍流環(huán)境，粒子在其中可以得到有效的加速。這些星風也可能最終合并為一股更加強大的外流，其與周邊星際介質的碰撞同樣為粒子加速創(chuàng)造了良好的條件。

當粒子獲得足夠高的能量后會逃逸出加速區(qū)，成為宇宙線，去向更廣闊的星際空間。宇宙線是帶電粒子，受到星際空間中磁場的影響，并不會沿著直線運動，而是繞著磁力線旋進。又由于星際空間中磁場的形態(tài)在一定程度上是不規(guī)則的，宇宙線的運動軌跡也雜亂無章。因此，科學家們認為宇宙線的運動在整體上以擴散的方式進行。擴散的快慢決定了加速源周邊星際空間中的宇宙線密度，從而決定了它們輻射出的超高能伽馬光子的流量。拉索通過測量伽馬泡中的超高能伽馬輻射亮度到中心不同距離的衰減程度，推算出宇宙線密度的分布以及它們擴散的速度。結果表明，伽馬泡內的宇宙線加速源使得其周邊的宇宙線密度遠遠超出在地球處測量到的值，其影響的空間范圍甚至可能比目前觀測到的伽馬泡尺度還要超出1～2倍。因此，隨著拉索進一步積累數據，也許能夠觀測到伽馬泡更加外圍的部分。另外，推算出的伽馬泡內的宇宙線擴散速度，比銀河系平均的宇宙線擴散速度，要慢上百倍之多，這說明在天鵝座恒星形成區(qū)的磁場結構，比預想的要更為不規(guī)則。這樣不規(guī)則的磁場結構如何形成是需要進一步研究的問題。此外，拉索的測量結果也引人思考：銀河系中是否還有其他的伽馬泡？在那些伽馬泡中是否也存在這樣的慢擴散區(qū)？如果銀河系中存在大量類似的巨型泡狀結構，宇宙線在銀河系的傳播過程將不可避免地受到其中高度不規(guī)則磁場的影響，使得我們可能需要重新審視關于宇宙線起源的一些現(xiàn)有認知。

這個巨大“泡泡”的發(fā)現(xiàn)很可能將在高能天體物理領域產生深遠的影響——這不僅是首次定位了高能天體物理學家們幾十年來一直所尋找的拍電子伏宇宙線加速源，更是首次表明銀河系中天體的粒子加速能力很可能突破了傳統(tǒng)認為的拍電子伏極限，達到了20拍電子伏。這對當前粒子加速的理論提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。此外，巨型泡狀結構的發(fā)現(xiàn)也可能改變我們對星際磁場性質的認知，甚至可能引起宇宙線起源研究的范式轉移。而拉索的發(fā)現(xiàn)之旅還遠未結束，我們期待拉索進一步的觀測帶來更多驚喜。

（作者：柳若愚，系拉索國際合作組成員、南京大學教授）