我国科学家牵头发现迄今最高能量光子,开启“超高能伽马天文学”时代

日前，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到能量达1.4拍电子伏的伽马光子（拍=千万亿），这是人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了 “超高能伽马天文学”的时代。这些发现将于2021年5月17日发表在《自然》。该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的高海拔宇宙线观测站国际合作组完成。

【探索高能宇宙线起源，寻找暗物质】

高海拔宇宙线观测站，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，占地面积约1.36平方公里，是由5195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阵列（简称KM2A）、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。

高海拔宇宙线观测站的核心科学目标是：探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动，并寻找暗物质；广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源，精确测量它们从低于1TeV（1万亿电子伏，也叫“太电子伏”）到超过1 PeV（1000万亿电子伏，也叫“拍电子伏”）的宽广能量范围内的能谱；测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱，揭示宇宙线加速和传播的规律，探索新物理前沿。

高海拔宇宙线观测站尚在建设中，2021年阵列将全部建成。这次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置，在2020年内 11个月的观测数据。科学家发现最高能量的光子来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区，还发现了12个稳定伽马射线源，光子能量一直延伸到1 拍电子伏附近。

【有望成为解开“世纪之谜”的突破口】

高海拔宇宙线观测站项目首席科学家曹臻，介绍了此次探测在三个方面的科学突破。

首先，揭示了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1拍电子伏的宇宙加速器。人类在地球上建造的最大加速器（欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）只能将粒子加速到0.01拍电子伏。

当前流行的理论模型认为，银河系内的宇宙线加速器能量极限就在拍电子伏附近，从而预言伽马射线能谱在0.1 拍电子伏附近会有“截断”现象，而高海拔宇宙线观测站的结果完全突破了这个“极限”。在这次所能够有效观测到的伽马射线源中，几乎所有的辐射能谱都稳定延伸到几百太电子伏且没有明显截断，说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量超过1 拍电子伏，这也向着解决宇宙线起源这一科学难题迈出了至关重要的一步。

其次，开启了“超高能伽马天文学”时代。1989年，美国亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1 太电子伏以上伽马辐射的天体，标志着“甚高能”伽马射线天文学时代的开启，在随后的30年里，已经发现超过两百个“甚高能”伽马射线源。直到2019年,人类才探测到首个具有“超高能”伽马射线辐射的天体。出人意料的是，仅基于1/2规模的高海拔宇宙线观测站不到1年的观测数据，就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。

随着高海拔宇宙线观测站的建成和持续不断的数据积累，可以预见这一最高能量的天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知的“超高能宇宙”，为探索宇宙极端天体物理现象提供丰富的数据。

第三，能量超过1拍电子伏的伽马射线光子首现天鹅座区域和蟹状星云。

天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮的区域，拥有多个大质量恒星星团，大质量恒星的寿命只有几百万年，因此星团内部充满了恒星生生死死的剧烈活动，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”。高海拔宇宙线观测站在天鹅座恒星形成区首次发现拍电子伏伽马光子，使得这个本来就备受关注的区域成为寻找超高能宇宙线源的最佳天区，有望成为解开“世纪之谜”的突破口。

历史上对蟹状星云大量的观测研究，使之成为几乎唯一具有清楚辐射机制的标准伽马射线源。然而，高海拔宇宙线观测站测到的超高能光谱，特别是拍电子伏能量的光子，挑战了这一“标准模型”，甚至于对更加基本的电子加速理论提出了挑战。