巨型“泡泡” 藏在天鵝座中，拉索離解開宇宙線起源“世紀(jì)之謎”還有多遠(yuǎn)？

近日，位于四川省稻城縣海拔4410米的宇宙線觀測(cè)站“拉索”（LHAASO）的科學(xué)家，利用“拉索”在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)一個(gè)直徑達(dá)1000光年的巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，找到了能量超過一億億電子伏的起源天體，認(rèn)證了第一個(gè)超級(jí)宇宙線加速源。這向解決宇宙線起源之謎邁出重要一步。此項(xiàng)成果2月26日在學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)通報(bào)》以封面文章形式發(fā)表。

宇宙線也稱宇宙射線，是來自宇宙空間的高速帶電粒子，主要成分是質(zhì)子，也包含各種原子核、電子以及一些反物質(zhì)粒子。這些粒子最早由奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯在1912年通過高空氣球?qū)嶒?yàn)發(fā)現(xiàn)。隨后，科學(xué)家們通過對(duì)宇宙線研究發(fā)現(xiàn)大量的基本粒子，推動(dòng)了粒子物理學(xué)的發(fā)展。

宇宙線粒子的能量分布范圍很廣，最高可達(dá)3×1020電子伏，超出目前最強(qiáng)大的人造粒子加速器可加速最高粒子能量的千萬倍。宇宙線是如何產(chǎn)生，又為何攜帶這么高的能量，一直困擾著科學(xué)家。究竟是銀河系內(nèi)的哪些天體產(chǎn)生了能量最終形成宇宙線，仍然是一個(gè)未解之謎，也是近10年來研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。

2019年開始，“拉索”采用“邊建設(shè)、邊運(yùn)行”的模式，探測(cè)器陣列逐步分批投入科學(xué)運(yùn)行。2020年，“拉索”在11個(gè)月內(nèi)就探測(cè)到了12個(gè)超高能伽馬射線源，并探測(cè)到當(dāng)時(shí)最高能量的光子來自天鵝座，高達(dá)1.4千萬億電子伏，打開了超高能伽馬天文學(xué)的窗口。2021年7月完成全陣列建設(shè)后，憑借優(yōu)越的探測(cè)器靈敏度，“拉索”在一年內(nèi)又將探測(cè)到的超高能伽馬射線源的數(shù)量提升到了43個(gè)，顯示出超強(qiáng)的伽馬射線源發(fā)現(xiàn)能力。

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(gè)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)部充滿了劇烈活動(dòng)的恒星，具有復(fù)雜的強(qiáng)激波環(huán)境，是理想的宇宙線加速場(chǎng)所。這個(gè)備受關(guān)注的區(qū)域就成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區(qū)，成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。

隨著觀測(cè)時(shí)間和數(shù)據(jù)的積累，研究團(tuán)隊(duì)在天鵝座方向距離地球5000光年的位置發(fā)現(xiàn)了一個(gè)直徑超過1000光年的巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)。經(jīng)過3年多的觀測(cè)積累，“拉索”在該方向記錄到66個(gè)超過40萬億電子伏的光子，其中8個(gè)光子能量超過了1千萬億電子伏。最高能量達(dá)到了2.5千萬億電子伏，刷新了最高能量光子的紀(jì)錄。

在伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)的中心區(qū)域，光子的分布較為集中，相較于泡狀結(jié)構(gòu)內(nèi)平均光子密度明顯超出。這表明泡狀結(jié)構(gòu)中心必定存在一個(gè)宇宙線加速源，向周圍持續(xù)注入宇宙線，而這個(gè)巨型“泡泡”就是由于超級(jí)宇宙線加速源產(chǎn)生的。

究竟何種天體能把宇宙線能量加速到如此之高？科學(xué)家們認(rèn)為，處于天鵝座恒星形成區(qū)中心區(qū)域的大質(zhì)量恒星星團(tuán)，是超級(jí)宇宙線加速器最可能的對(duì)應(yīng)天體。

星團(tuán)里的恒星大多年輕、熾熱，有些表面溫度能達(dá)數(shù)萬攝氏度。這些恒星的輻射強(qiáng)度是太陽的百倍至百萬倍。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。當(dāng)粒子獲得足夠高的能量后會(huì)逃逸出加速區(qū)，宇宙線向更廣闊的星際空間擴(kuò)散。

“拉索”的此次發(fā)現(xiàn)不僅首次定位了高能天體物理學(xué)家們幾十年來一直所尋找的拍電子伏宇宙線加速源，而且表明銀河系中天體的粒子加速能力，很可能突破了傳統(tǒng)認(rèn)為的拍電子伏極限，對(duì)宇宙線起源的研究將產(chǎn)生重要影響。隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，“拉索”可能將探測(cè)到更多的千萬億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。

（張重陽系中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所工程師，柳若愚系南京大學(xué)研究員）