我国观测站捕捉到宇宙中的巨型“气泡”
花了近两年的时间，中国高海拔宇宙线观测站（LHAASO，简称拉索）就“看见”了一个巨型“气泡”，并从中发现了第一个认证的超级宇宙线加速源。相关研究于近期发表在《科学通报》（Science Bulletin）杂志上。
拉索建在四川稻城海子山山顶，随着地球转动巡天观测，“目光”一直关注着天鹅座内非常活跃的恒星形成区，试图捕捉来自那里的伽马射线（一种光子）和宇宙线。2020年，拉索团队曾在这个区域内定位了1个拍电子伏伽马射线源（1拍电子伏相当于1015电子伏），伽马光子的能量高达1.4拍电子伏。如今，拉索在这里发现了更多能量相当或更高——可高达2拍电子伏——的光子，这些超高能光子分布在巨型泡状结构中。“气泡”的尺度很大，横跨约500光年，且中心很亮，表明这里有一个点状源，即宇宙线的起源天体。
“宇宙线是宇宙中非常重要的组成部分，”拉索项目的首席科学家曹臻说。随着技术的发展，探测拍电子伏级别的宇宙线并不难。但对于它们的起源，我们仍然所知甚少，“是100年来未解的重大科学问题。”原因在于，宇宙线本质上是带电粒子，它们的运动会受宇宙磁场的影响而发生偏转，很难探寻它们的源头。于是，天文学家把目光投向了不会在磁场中打转的电中性粒子，包括光子和中微子。其中，拉索“使我们有机会真正用光子这种手段”探测宇宙线源，曹臻说。
拉索由三个部分组成：平方千米阵列（KM2A）、水切伦科夫探测器（WCDA）和广角切伦科夫望远镜（WFCTA）。这项研究中起主要作用的是KM2A，它包含两种探测器阵列，一个在地上，一个在地下，分别是5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器。这两层探测器会像筛子一样，把伽马光子从测量到的大量粒子中筛选出来——如果有1个超高能光子混在10万个普通的宇宙线粒子中，拉索很快就能把那个光子挑出来，曹臻说。
当曹臻和同事沿着这些伽马光子的方向把它们的位置画到宇宙天图上时，发现它们对应着一个个孤立的点，即伽马射线源。这意味着，我们可以在这些点分布的“气泡”中心附近，定位可产生拍电子伏伽马光子的天体——超高能宇宙线加速源。
根据经典模型，银河系内宇宙线的能量通常在1拍电子伏内，有的可能会是几拍电子伏。但拉索却“看见”这个巨型“气泡”里有一些能量更高的宇宙线产生，有的能量已经超过了10拍电子伏。曹臻说，“我们‘看到’了原本认为不可能在银河系内产生的粒子。”
不仅如此，曹臻团队还发现周围的氢原子气体和更密集的分子云分布与测量到的伽马光子分布相关性很强。实际上，宇宙线在向外扩散的过程中会与气体和分子云相撞，由此产生超高能伽马光子。“这次观测的特征是，”曹臻说，“我们不仅‘看到’中心有个源在向外输出宇宙线，还‘看到’宇宙线在传播过程中是如何与周围物质相互作用，又是如何产生伽马光子的。”
目前，拉索已经发现了40多个超高能伽马射线源，接下来，研究人员将继续深入探究每个源，寻找其中可能出现的宇宙线起源天体，以更好地了解宇宙构成。此外，为了让拉索的“眼睛”看得更清楚，研究团队正计划为它戴上一副“眼镜”——由32个望远镜组成的集群。
本文选自《环球科学》4月刊“前沿”栏目。
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