中新網北京2月26日電 (記者 孫自法)在銀河系天鵝座恒星形成區，有一個巨型超高能Gamma射線泡狀結構——大小近千萬倍太陽系、能量超1億億電子伏的宇宙「氣泡」，最近被中國的大科學裝置高海拔宇宙線觀測站(英文縮寫LHAASO，中文昵稱「拉索」)發現，並研究確認它是一個宇宙線的起源天體。
曹臻院士解讀「拉索」最新重大發現及研究進展。中新網記者 孫自法 攝
這項在世界和歷史上首次發現能量高於1億億電子伏宇宙線起源天體、認證第一個超級宇宙線加速源的重要高能天體物理研究成果，由中國科學院高能物理研究所(高能所)領導的「拉索」國際合作組完成，相關論文2月26日以封面形式在知名學術期刊【科學通報】(Science Bulletin)上發表。
發表本項重要成果的【科學通報】(Science Bulletin)封面。中國科學院高能所/供圖
最新發現研究緣何而起？
成果正式發表前夕，中國科學院院士、中國科學院高能所研究員、「拉索」首席科學家曹臻率論文主要作者，向媒體科普解讀「拉索」這項重大發現及研究進展。
宇宙線是來自外太空的帶電粒子，其主要成分為質子。宇宙線的起源是當代天體物理學最重大的前沿科學問題之一。測量發現，宇宙線的能譜(即宇宙線數量在粒子能量上的分布)在1千萬億電子伏附近呈現出一個拐折結構，因其形狀類似膝關節而被稱為宇宙線能譜的「膝」。
展示介紹本項重要成果的海報。中國科學院高能所/供圖
科學家們認為，能量比「膝」低的宇宙線起源於銀河系內的天體，而「膝」的存在也表明銀河系大部份的宇宙線源加速質子的能量極限在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麽高能量，形成「膝」的能譜結構，仍然是一個未解之謎，也是近年來宇宙線研究中最引人關註的課題之一。
此次研究中，「拉索」在天鵝座恒星形成區發現一個巨型超高能Gamma射線泡狀結構，這個保守估計直徑約1000光年、距離地球約5000光年的宇宙「氣泡」內，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。
如何認證宇宙線起源天體？
「拉索」團隊指出，一般來說，產生能量為2千萬億電子伏的Gamma光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。因此，這表明該巨型超高能宇宙「氣泡」內部存在超級宇宙線加速器，從而源源不斷地產生能量至少達到2億億電子伏的高能宇宙線粒子，並註入到星際空間。
「拉索」航拍圖。中國科學院高能所/供圖
這些高能宇宙線與星際空間中的瓦斯物質發生碰撞產生Gamma光子，光子的數目與周圍瓦斯的分布呈現清晰的關聯，而位於該宇宙「氣泡」中心附近的大品質恒星星團，則是超級宇宙線加速器最可能的對應天體。
大品質恒星星團是由很多表面溫度超過約3.5萬度的恒星(O型星)和表面溫度超過約1.5萬度的恒星(B型星)這類年輕、熾熱的大品質恒星組成密集星團。這些恒星的放射線強度是太陽的百倍至百萬倍，巨大的放射線壓將恒星表面物質吹出，形成了強烈的星風，其速度可達每秒上千公裏。隨後，星風與周圍星際介質的碰撞以及星風之間的猛烈碰撞產生了強激波、強亂流的極端環境，成為強大的粒子加速器。
「拉索」團隊認為，這個強大的粒子加速器是迄今為止科學家們能夠認證的第一個超級宇宙線加速源。相信隨著觀測時間的增加，「拉索」未來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，有望解決銀河系的宇宙線起源之謎。
宇宙「氣泡」還有何重要發現？
「冰凍三尺，非一日之寒」。「拉索」團隊強調，這次首次發現能量高於1億億電子伏宇宙線起源天體、認證第一個超級宇宙線加速源，並非一兩次觀測的一蹴而就，而是在「拉索」自2019年試執行以來長期觀測數據積累基礎上持續研究獲得。
此次在發現揭秘銀河系超高能宇宙線起源之謎的同時，「拉索」還根據觀測推斷出，該宇宙「氣泡」內超級宇宙線加速器使得周邊星際空間的宇宙線密度，顯著高於銀河系內宇宙線的平均水平，其所影響的空間範圍甚至遠超目前觀測到的「氣泡」尺度，從而為「拉索」此前探測到的銀河系彌散Gamma射線放射線的超出提供了一種可能的解釋。
「拉索」觀測到的高能Gamma射線空間分布，圖中每個圓點代表「拉索」探測到的一個超高能Gamma光子。中國科學院高能所/供圖
據介紹，作為當前國際上最靈敏的超高能Gamma射線探測裝置、以宇宙線觀測研究為核心的中國國家重大科技基礎設施，「拉索」由中國科學院高能所承擔建設執行，並采用通用的國際合作模式，實作設施平台與觀測數據的開放共享。
「拉索」位於四川省稻城縣海拔4410公尺的海子山，由5216個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的1平方公裏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台廣角切倫科夫望遠鏡組成的復合陣列，2021年7月建成並開始高品質穩定執行。
曹臻院士解讀「拉索」最新重大發現及研究進展。中新網記者 孫自法 攝
目前，「拉索」國際合作組擁有32個中外天體物理研究機構作為成員單位，科學家成員約280人。除曹臻院士外，最新發表成果論文的共同通訊作者還包括中國科學院高能所博士研究生高川東、李驄副研究員和南京大學柳若愚研究員、中國科學技術大學楊睿智教授。(完)
【編輯:胡寒笑】
