发现宇宙中“粒子大炮”,“拉索”认证首个超级宇宙线加速源
北京日报客户端 2024-02-26 08:55

作为国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置,高海拔宇宙线观测站(LHAASO,拉索)的科研成果密集产出。最近,在天鹅座恒星区,“拉索”发现了一个巨型超高能伽马射线泡,首次找到了能量高于1亿亿电子伏特的宇宙线“源头”。2月26日,相关成果以封面文章形式在《科学通报》上发表。

宇宙线是来自外太空的高能带电粒子,其主要成分为质子,携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动及地球空间环境等重要科学信息。观测显示,银河系内天体加速质子的能量极限在1千万亿电子伏特左右,究竟是何种天体拥有如此“神力”,一直是未解之谜。这次,“拉索”寻根溯源,发现了一处高能宇宙线粒子的起源天体——巨型超高能伽马射线泡。

虽然在图像中只是一片圆形红晕,科研人员亲切地称其为“泡泡”,但它其实是个大家伙——直径约为1000光年,体积则相当于太阳系的上千万倍。它的能量也不可小觑,内部光子能量最高达2千万亿电子伏特。中国科学院高能物理研究所研究员、中国科学院院士曹臻解释,通常来说,要产生如此高能的伽马光子,宇宙线粒子撞击前具备的能量至少还要再高10倍,即达到2亿亿电子伏特。

这意味着,“泡泡”内部有着一个超级宇宙线加速器。通过观测,科研人员把能量的源头锁定在“泡泡”中心附近的大质量恒星星团上,它由很多年轻、炽热的大质量恒星组成,辐射强度可达太阳的百倍至百万倍。恒星表面物质被辐射压吹出,速度达每秒上千公里的“星风”彼此相撞或与周围星际介质碰撞,便成为了强大的粒子加速器。微观粒子在激波反复碰撞中加速到极高的能量,在飞行过程中又与星际空间中的物质碰撞产生超高能伽马射线,便可被“拉索”观测到。

不过比起看到“泡泡”的存在,它究竟为何能被看到,引起了科研人员更大的兴趣。“原来我们认为宇宙很空,宇宙线注入其中很快就会跑掉。但如果是这样,高能宇宙线的速度又与光速相当,我们理论上就无法观测到‘泡泡’的存在。”曹臻说,“拉索”的观测数据显示,“泡泡”周边星际空间的宇宙线密度显著高于银河系内宇宙线的平均水平,宇宙线“逃跑”的速度比人类想象的慢了约100倍。“就像一滴墨汁滴在水里,是慢慢地扩散开来,这个发现已经引起了学界的高度重视。”

“这是迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源。”曹臻的语气中透着自豪,随着观测时间的增加,“拉索”还有望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。目前,已有32个国内外天体物理研究机构成为“拉索”的国际合作组成员单位,成员约280人。

编辑/谭卫平

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