我國(guó)科研人員國(guó)際上首次認(rèn)證宇宙線起源
來(lái)源：人民日?qǐng)?bào)客戶端 發(fā)布時(shí)間：2024-02-26 08:52:16
日前,，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO，“拉索”）國(guó)際合作組宣布,，在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu),，歷史上首次找到能量高于1億億電子伏的宇宙線的起源天體,。該成果于2月26日以封面文章的形式在《Science Bulletin》（《科學(xué)通報(bào)》）上正式發(fā)表。中國(guó)科學(xué)院院士、高能物理研究所研究員曹臻,，高能物理研究所的博士研究生高川東,、李驄副研究員，南京大學(xué)的柳若愚研究員,，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的楊睿智教授為論文的共同通訊作者,。
宇宙線是從外太空來(lái)的帶電粒子，其主要成分為質(zhì)子,。1912年,，奧地利科學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)宇宙線。此后的100年間,，與之相關(guān)的探索與研究已經(jīng)產(chǎn)生了6枚諾貝爾獎(jiǎng)牌,，但人類卻始終沒(méi)有發(fā)現(xiàn)宇宙線的起源。“宇宙線來(lái)自哪里,，它們是如何被加速到如此之高的能量,，一直是困擾科學(xué)家的問(wèn)題。”曹臻說(shuō),。
2004年,，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)研究確定了新世紀(jì)科學(xué)研究的11個(gè)世紀(jì)謎題，宇宙線起源及其加速機(jī)制名列其中,。
此前,，測(cè)量發(fā)現(xiàn)，宇宙線的能譜（即宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）在1千萬(wàn)億電子伏附近呈現(xiàn)出一個(gè)拐折結(jié)構(gòu),，因其形狀類似膝關(guān)節(jié)而被稱為宇宙線能譜的“膝”,。科學(xué)家們認(rèn)為,，能量比“膝”低的宇宙線起源于銀河系內(nèi)的天體,，而“膝”的存在也表明銀河系大部分的宇宙線源加速質(zhì)子的能量極限在1千萬(wàn)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么高能量,，形成“膝”的能譜結(jié)構(gòu)，仍然是一個(gè)未解之謎,，也是近年來(lái)宇宙線研究中最引人關(guān)注的課題之一,。
拉索此次在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)的巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)有多個(gè)能量超過(guò)1千萬(wàn)億電子伏的光子分布其中,，最高達(dá)到2千萬(wàn)億電子伏,。一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生能量為2千萬(wàn)億電子伏的伽馬光子,，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子,。因此,，這表明泡內(nèi)部存在超級(jí)宇宙線加速器，源源不斷地產(chǎn)生能量至少達(dá)到2億億電子伏的高能宇宙線粒子,，并注入到星際空間,。
曹臻說(shuō)：“這些高能宇宙線與星際空間中的氣體物質(zhì)發(fā)生碰撞產(chǎn)生伽馬光子，光子的數(shù)目與周圍氣體的分布呈現(xiàn)清晰的關(guān)聯(lián),，而位于泡中心附近的大質(zhì)量恒星星團(tuán)（Cygnus OB2星協(xié)）則是超級(jí)宇宙線加速器最可能的對(duì)應(yīng)天體,。”
為什么會(huì)有這樣的判斷？
曹臻進(jìn)一步解釋說(shuō),，星協(xié)是由很多表面溫度超過(guò)約3萬(wàn)5千度的恒星（O型星）和表面溫度超過(guò)約1萬(wàn)5千度的恒星（B型星）這類年輕,、熾熱的大質(zhì)量恒星組成密集星團(tuán)。“這些恒星的輻射強(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)與周圍星際介質(zhì)的碰撞以及星風(fēng)之間的猛烈碰撞產(chǎn)生了強(qiáng)激波,、強(qiáng)湍流的極端環(huán)境，成為強(qiáng)大的粒子加速器,。”
科研團(tuán)隊(duì)表示,，這是迄今為止人們能夠認(rèn)證的第一個(gè)超級(jí)宇宙線加速源，隨著觀測(cè)時(shí)間的增加,，拉索將可能探測(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。
此外,，拉索還根據(jù)觀測(cè)推斷出泡內(nèi)超級(jí)宇宙線加速器使得周邊星際空間的宇宙線密度顯著高于銀河系內(nèi)宇宙線的平均水平,。
“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，為拉索此前探測(cè)到的銀河系彌散伽馬射線輻射的超出提供了一種可能的解釋,。”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，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山,，是由5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的一平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列,、7.8萬(wàn)平方米水切倫科夫探測(cè)器陣列以及由18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的復(fù)合陣列。拉索于2021年7月建成并開(kāi)始高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行,，是國(guó)際上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置,。設(shè)施的運(yùn)行由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)，采用通用的國(guó)際合作模式,，實(shí)現(xiàn)設(shè)施平臺(tái)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的開(kāi)放共享,。目前，已有32個(gè)國(guó)內(nèi)外天體物理研究機(jī)構(gòu)成為拉索的國(guó)際合作組成員單位,，成員約280人,。
責(zé)任編輯：陳曉芳
