拉索首次认证超级宇宙线加速源
记者从中国科学院获悉：高海拔宇宙线观测站（LHAASO，“拉索”）在位于银河系的天鹅座恒星形成区看见了一个巨型超高能伽马射线泡状结构。这一体积（尺度）是太阳系千万倍的“大泡泡”里“藏”着什么？对其深入研究，由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组在该泡状结构内找到了能量高于1亿亿电子伏的宇宙线的起源天体（宇宙线加速源候选天体）——大质量恒星星团（Cygnus OB2星协）。这是迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源。相关研究成果于2月26日以封面文章的形式在《Science Bulletin》（《科学通报》）上正式发表。
宇宙线亦称为宇宙射线，是来自外太空的带电粒子，约有90%左右为质子，其他是电子、光子这些粒子。宇宙线的起源是当代天体物理学最重大的前沿科学问题之一。科学家们测量发现，宇宙线的能谱（即宇宙线数量在粒子能量上的分布）在拍电子伏(1拍=1千万亿)
附近呈现出一个拐折结构，因其形状类似膝关节而被称为宇宙线能谱的“膝”。过去，科学家们认为，能量比“膝”低的宇宙线起源于银河系内的天体，而“膝”的存在也表明银河系大部分的宇宙线源加速质子的能量极限在拍电子伏左右。“如今拉索的最新发现颠覆了这一传统认知，也刷新了银河系的宇宙线源加速质子的能量极限新纪录。”中国科学院院士、高能物理研究所研究员曹臻表示。
究竟是何种天体会拥有如此大的能量？找到并对其进行定位，是科学家们一直以来的梦想。但面临的困难也显而易见：银河系中到处都存在磁场，而宇宙线是带电粒子，宇宙线运动传播时经磁场偏转会改变原有的运动方向，到达地球时已经失去原有的方向信息，这就使得找寻加速源困难重重。幸运的是，宇宙线在向外传播时，会与星际介质碰撞，产生能量约为宇宙线母粒子能量十分之一的高能伽马射线，而伽马射线不带电，沿直线传播，从而成为科学家们研究宇宙线的重要抓手。
据介绍，拉索此次发现的巨型超高能伽马射线泡状结构，内有多个能量超过拍电子伏的光子分布其中，最高达到2拍电子伏。一般来说，产生能量为2拍电子伏的伽马光子，需要能量至少高10倍的宇宙线粒子。因此，这表明泡内部存在超级宇宙线加速器，源源不断地产生能量至少达到2亿亿电子伏的高能宇宙线粒子，并注入到星际空间。这些高能宇宙线与星际空间中的气体物质发生碰撞产生伽马光子，光子的数目与周围气体的分布呈现清晰的关联，而位于泡中心附近的大质量恒星星团（Cygnus OB2星协）则是超级宇宙线加速器最可能的对应天体。
星协是由很多表面温度超过约3万5千度的恒星（O型星）和表面温度超过约1万5千度的恒星（B型星）这类年轻、炽热的大质量恒星组成的密集星团。这些恒星的辐射强度是太阳的百倍至百万倍，巨大的辐射压将恒星表面物质吹出，形成了强烈的星风，速度可达每秒上千公里。星风与周围星际介质的碰撞以及星风之间的猛烈碰撞产生了强激波、强湍流的极端环境，成为强大的粒子加速器。“这是迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源，随着观测时间的增加，拉索将可能探测到更多的千万亿电子伏乃至更高能量宇宙线的加速源，有望解决银河系宇宙线起源之谜。”曹臻说。
拉索是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，是由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及由18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。拉索于2021年7月建成并开始高质量稳定运行，是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置。设施的运行由中国科学院高能物理研究所承担，采用通用的国际合作模式，实现设施平台与观测数据的开放共享。
此次研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成，中国科学院院士、高能物理研究所研究员曹臻，高能物理研究所的博士研究生高川东、李骢副研究员，南京大学的柳若愚研究员，中国科学技术大学的杨睿智教授为论文的共同通讯作者。(经济日报记者 沈慧)