高海拔宇宙線觀測站發(fā)現(xiàn)首批“拍電子伏加速器”和最高能量光子開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代

    發(fā)布時間:2021-05-17

      國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)”在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器,并記錄到能量達(dá)1.4拍電子伏的伽馬光子(拍=千萬億),這是人類觀測到的最高能量光子,突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知,開啟了 “超高能伽馬天文學(xué)”時代。這些發(fā)現(xiàn)將于2021年5月17日發(fā)表在《Nature》(自然)。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。

      高海拔宇宙線觀測站尚在建設(shè)中,這次報道的成果是基于已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測裝置,在2020年內(nèi) 11個月的觀測數(shù)據(jù)??茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)最高能量的光子來自天鵝座內(nèi)非常活躍的恒星形成區(qū),還發(fā)現(xiàn)了12個穩(wěn)定伽馬射線源,光子能量一直延伸到1 拍電子伏附近,這是位于LHAASO視場內(nèi)最明亮的一批銀河系伽馬射線源,測到的伽馬光子信號高于背景7倍標(biāo)準(zhǔn)偏差以上,源的位置測量精度優(yōu)于0.3°。雖然這次使用的數(shù)據(jù)還很有限,但所有能被LHAASO觀測到的源,它們都具有0.1拍電子伏以上的伽馬輻射,也叫“超高能伽馬輻射”。這表明銀河系內(nèi)遍布拍電子伏加速器,而人類在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的LHC)只能將粒子加速到0.01拍電子伏。銀河系內(nèi)的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”,過去預(yù)言的極限就在拍電子伏附近,從而預(yù)言的伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近會有“截斷”現(xiàn)象,LHAASO的結(jié)果完全突破了這個“極限”。這些發(fā)現(xiàn)開啟了 “超高能伽馬天文”觀測時代,表明年輕的大質(zhì)量星團(tuán)、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系內(nèi)加速超高能宇宙線的最佳候選天體,有助于破解宇宙線起源這個“世紀(jì)之謎”。 LHAASO的結(jié)果表明,科學(xué)家們需要重新認(rèn)識銀河系高能粒子的產(chǎn)生、傳播機(jī)制,進(jìn)一步研究極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過程,并在極端條件下檢驗基本物理規(guī)律。

      背景資料:

      高海拔宇宙線觀測站及其核心科學(xué)目標(biāo)

      高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)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,占地面積約1.36平方公里,是由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列(簡稱KM2A)、78000平方米水切倫科夫探測器、18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯排布組成的復(fù)合陣列。LHAASO采用這四種探測技術(shù),可以全方位、多變量地測量宇宙線。

      高海拔宇宙線觀測站的核心科學(xué)目標(biāo)是:探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化和高能天體活動,并尋找暗物質(zhì);廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源,精確測量它們從低于1TeV(1萬億電子伏,也叫“太電子伏”)到超過1 PeV(1000萬億電子伏,也叫“拍電子伏”)的寬廣能量范圍內(nèi)的能譜;測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜,揭示宇宙線加速和傳播的規(guī)律,探索新物理前沿。

      拍電子伏宇宙加速器和PeV光子

      “拍電子伏宇宙加速器(PeVatron)”周圍產(chǎn)生的“超高能伽馬光子”信號非常弱,即便是天空最為明亮且被稱為“伽馬天文標(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云,發(fā)射出來的能量超過1 PeV的光子在一年內(nèi)落在一平方公里的面積上也就1到2個,而這1到2個光子還被淹沒在幾萬個通常的宇宙線事例之中。LHAASO的平方公里探測陣列內(nèi)的1188個繆子探測器專門用于排除非光子信號,使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測器。借助這前所未有的靈敏度,1/2規(guī)模的KM2A僅用了11個月就探測到并證認(rèn)了來自蟹狀星云的約1 PeV的伽馬光子。不僅如此,KM2A還在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個類似的源,他們都具有超高能光子輻射,其能譜穩(wěn)定地延伸到PeV附近,其中探測到的伽馬光子的最高能量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.4 PeV。由此可見, LHAASO的此次科學(xué)成果在宇宙線起源的研究進(jìn)程中具有里程碑意義。具體來說有以下三個方面的科學(xué)突破:

      1)揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘W幽芰考铀俪^1 PeV的宇宙加速器。在這次觀測中,LHAASO所能夠有效觀測到的伽馬射線源中(觀測中超過5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的超出視為有效觀測),幾乎所有的輻射能譜都穩(wěn)定延伸到幾百TeV且沒有明顯截斷,說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過1 PeV。這突破了當(dāng)前流行的理論模型所宣稱的銀河系宇宙線加速PeV能量極限。同時,LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)大量存在PeV宇宙加速源,也向著解決宇宙線起源這一科學(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步。

      2)開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代。1989年,亞利桑那州惠普爾天文臺成功發(fā)現(xiàn)了首個具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體,標(biāo)志著“甚高能”伽馬射線天文學(xué)時代的開啟,在隨后的30年里,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)兩百多個“甚高能”伽馬射線源。直到2019年,人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。出人意料的是,僅基于1/2規(guī)模不到1年的觀測數(shù)據(jù),LHAASO就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個。

      隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累,可以預(yù)見這一最高能量的天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知的“超高能宇宙”,為探索宇宙極端天體物理現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù)。由于宇宙大爆炸產(chǎn)生的背景輻射無所不在,它們會吸收高于1 PeV的伽馬射線。到了銀河系以外,即使產(chǎn)生了PeV伽馬射線,由于背景輻射光子的嚴(yán)重吸收,我們也接受不到這些PeV伽馬射線。LHAASO打開銀河系PeV輻射探測窗口,對于研究遙遠(yuǎn)的宇宙也具有特殊意義。

      3)能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。PeV光子的探測是伽馬天文學(xué)的一座里程碑,承載著伽馬天文界的夢想,長期以來一直是伽馬天文發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動力。事實上,上個世紀(jì)80年代伽馬天文學(xué)爆發(fā)式發(fā)展的一個重要動機(jī)就是挑戰(zhàn)PeV光子極限。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮的區(qū)域,擁有多個大質(zhì)量恒星星團(tuán),大質(zhì)量恒星的壽命只有幾百萬年,因此星團(tuán)內(nèi)部充滿了恒星生生死死的劇烈活動,具有復(fù)雜的強(qiáng)激波環(huán)境,是理想的宇宙線加速場所,被稱為“粒子天體物理實驗室”。

      LHAASO在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)PeV伽馬光子,使得這個本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區(qū)。這個區(qū)域?qū)⑹荓HAASO以及相關(guān)的多波段、多信使天文觀測設(shè)備關(guān)注的焦點(diǎn),有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。

      歷史上對蟹狀星云大量的觀測研究,使之成為幾乎唯一具有清楚輻射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)伽馬射線源,跨越22個量級的光譜精確測量清楚地表明其電子加速器的標(biāo)志性特征。然而,LHAASO測到的超高能光譜,特別是PeV能量的光子,嚴(yán)重挑戰(zhàn)了這個高能天體物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”,甚至于對更加基本的電子加速理論提出了挑戰(zhàn)。

      技術(shù)創(chuàng)新

      LHAASO開發(fā)了1)遠(yuǎn)距時鐘同步技術(shù),確保整個陣列的每個探測器同步精度可達(dá)亞納秒水平;在高速前端信號數(shù)字化、高速數(shù)據(jù)傳輸、大型計算集群協(xié)助下滿足了2)多種觸發(fā)模式并行等尖端技術(shù)要求;首次大規(guī)模使用3)硅光電管、4)超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進(jìn)探測技術(shù),大大提高了伽馬射線測量的空間分辨率,達(dá)到了更低的探測閾能,使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面,都達(dá)到前所未有的水平。LHAASO也為開展大氣、環(huán)境、空間天氣等前沿交叉科學(xué)研究提供了重要實驗平臺,并成為多邊國際合作共同開展高水平研究的科學(xué)基地。

      中國的宇宙線研究發(fā)展歷程

      中國的宇宙線實驗研究經(jīng)歷了三個階段,目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實驗室。高山實驗?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y介質(zhì),在地面進(jìn)行觀測,探測器規(guī)??蛇h(yuǎn)大于大氣層外的天基探測器。由于超高能量宇宙線數(shù)量稀少,這是唯一的觀測手段。1954年,中國第一個高山宇宙線實驗室在海拔3180米的云南東川落雪山建成。1989年,在海拔4300米的西藏羊八井啟動了中日合作的宇宙線實驗;2000年,啟動中意ARGO實驗。2009年,在北京香山科學(xué)會議上,曹臻研究員提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構(gòu)想。LHAASO的主體工程于2017年開始建設(shè),2019年4月完成1/4的規(guī)模建設(shè)并投入科學(xué)運(yùn)行。2020年1月,LHAASO完成了1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運(yùn)行,同年12月完成3/4規(guī)模并投入運(yùn)行。2021年,LHAASO陣列將全部建成,成為國際領(lǐng)先的超高能伽馬探測裝置,投入長期運(yùn)行,從多個方面展開宇宙線起源的探索性研究。

    附件下載: