LHAASO发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子！这意味着什么？

2021年5月17日，中科院高能所将召开“高海拔宇宙线观测站发现首批‘拍电子伏加速器’和最高能量光子”联合发布会。这个发现突破了人类对银河系超高能粒子加速的传统认知，开启了“超高能伽马天文学”的全新时代。

发布会现场图

或许你对于这些高深的名词一时难以理解，但这句话你一定或多或少“耳闻目睹”过：“有两种东西，我对它们的思考越是深沉和持久，它们在我心灵中唤起的惊奇和敬畏就会日新月异，不断增长，这就是我头上的星空和心中的道德定律。”

这句哲学家康德的名言从18世纪一直流传至今。它的历久弥新向天下昭告着：追寻真理是人类最原始的渴望，而宇宙星空正是承载真理的“鲲鹏”。

裸眼看到的星空已让我们如此着迷，而如果有真实的来自太阳系外的物质能送到你身边，岂不是更能感觉到吃惊与兴奋！而这样的物质样本，其实在我们的身边无处不在，那就是宇宙线。

宇宙线又称宇宙射线，绝大多数都是速度接近光速的核子（质子，氦原子核，碳原子核等），也有少量的光子、电子、中微子等。这些核子，我们也称其为宇宙线核子，它们的起源地被称为宇宙线源。

宇宙线核子的能量平均比我们所认识的“光”要大的多，但每一个到达地球的宇宙线核子，都要历经一段更为浪漫曲折的旅程才能与我们相遇。

这又是为什么呢？

因为银河系中到处都存在着磁场，而核子本身带有电荷，所以宇宙线核子从源区产生后，会不断受磁场影响，要在银河系内“漫游”数千万年，才有可能遇到地球，然后被我们观测到。

宇宙线核子的旅程过于曲折，导致人类极难对其溯源，就连是什么天体或者怎样的天体现象产生了它也全无线索。这种神秘与未知，就像一个彩蛋，对于每一个追寻真理的人类而言，都是一种浪漫。

对此，科学家们当然也没有放弃摸索。既然核子带电会导致无法溯源，那么我们就利用不带电的粒子来探测宇宙线源。这其中，最直接、最容易被观测的就是光子。

光子的本质就是我们常说的电磁波。我们根据光子所蕴含的能量等特性，将其分为了很多种类。除了人类肉眼能看见的可见光，还有大量人类看不见的电磁波，比如能晒伤我们的紫外线，能测量体温的红外线，能拍摄X光片的X射线，能够杀死癌细胞的伽马射线等等，这些不同波段的电磁波，就像一个个不同的窗口。而我们通过收集和分析这些不同的电磁波，就能获取截然不同的宇宙信息。

其中能对应宇宙线源的光子能量，在超高能伽马能段。通过观测超高能伽马射线，我们就能获取与宇宙线源的信息。

说起来似乎十分简单，可人类却迟迟没有打开超高能伽马能段的观测窗口。这是为什么呢？

主要有三个原因：

第一，在超高能伽马射线能段，原初的光子数量极少。即便被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云，每一平方公里一天发出的超高能伽马光子还不到一个，想要观测到这些光子，无异于大海捞针；

第二，地球大气会吸收这些光子，因此能够到达地面、被人们探测到的光子就更加稀少了；

第三，我们都知道光具有“波粒二象性”，低能光子的行为更像波，而高能光子的行为更像粒子。这些高能光子躲在高能粒子中间，要想甄别并且探测到这些高能光子极其困难，堪比“沙里淘沙”。

不过俗话说，困难没有办法多。我国高海拔宇宙线观测站（LHAASO）克服了超高能伽马能段观测窗口的种种技术难题，取得了不凡的发现与成就。

LHAASO全景概念图 | 中科院高能所

LHAASO选址于海拔4400米的四川稻城海子山，探测器阵列占地1.36平方公里。LHAASO的三大法宝确保了它领先的探测能力：高海拔可以应对地球大气阻挡的问题；大面积可以解决光子数量少的挑战；而开创性地采用多种复合测量手段，则极大的提高了测量精度与光子甄别能力。

LHAASO近景 | 中科院高能所

LHAASO已经发现了12个超高能伽马射线源，揭示了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速到超过1PeV的宇宙加速器的事实。而这些发现，只用了建设完成1/2的LHAASO探测器不到一年的观测数据。

这里的1PeV指的是什么意思呢？其实PeV是P和eV组合起来的单位，也就是开头提到的“拍电子伏”。eV是一种能量单位，叫做电子伏特，代表一个电子经过1伏特的电位差加速后所获得的动能。而1P是1000万亿简写。那么1PeV就代表着一个电子经过1000万亿伏特的加速后所获得的动能。

尽管通过直接测量这些高能粒子来溯源并不现实，但是我们可以通过测量中性的光子来溯源。我们观测到了这些光子，表明宇宙中存在相应的更高能量的父辈粒子，也说明在源区存在着将这些父辈粒子加速到如此高能量的宇宙加速器。

同时，这些超高能伽马射线源的发现也意味着人类首次一睹该能段的宇宙“面孔”，这里发生着宇宙中最剧烈的天体活动和最极端的物理环境，也许蕴含了超出人类认知的现象和物理规律，为物理学家提供了最好的“实验室”。

PeV光子的探测是伽马天文学的一座里程碑，承载着伽马天文界的梦想，长期以来一直是伽马天文发展的强大驱动力。在LHAASO此次发现的这些源中，能量超过1 PeV的伽马射线光子首现天鹅座区域。这是银河系在北天区最亮区域，拥有多个具有超大质量恒星、伴随着大量恒星生生死死剧烈活动的极其活跃的星团，具有复杂的强激波环境，是理想的宇宙线加速场所，被称为“粒子天体物理实验室”。

天鹅座 | Wikimedia Commons, Till Credner / CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0)

如同康德所说，我们对宇宙星空的思考越是深沉和持久，它们在我心灵中唤起的惊奇和敬畏就会日新月异，不断增长。

宇宙到底还藏着多少奥秘？LHAASO还将会带给我们多少惊喜？就让我们拭目以待吧！

作者：刘佳

编辑：张祎 韩越扬

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