新发现的光子能量，超乎你想象
文章来源于公众号“科学大院”作者：柳若愚 杨睿智
无论是“嫦娥”奔赴月球，还是“祝融”登陆火星，都说明了现代国人擅长的事情之一，便是用科技的力量续写古人的绮丽想象。而今日，一项发表在《Nature》上的重大成果，不仅能同古人对话，或将改变人类对银河系的传统认知。
这项成果，便是国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”在银河系内发现了大量超高能宇宙线加速器，并且记录到最高1.4拍电子伏伽马光子（拍=千万亿）。或许你再次有了“每个字我都认识，放在一起就不知道在说什么”的奇妙体验，但不妨在了解何为宇宙线的基础上，同大院er一起了解这一成果的重大价值。
宇宙线是星际空间中的高能带电粒子，于1912年由奥地利物理学家维克托·赫斯发现，后者也因此荣膺1936年的诺贝尔物理学奖。人们探测到的宇宙线粒子中约90%是质子，9%是氦原子核，更重的原子核及电子等其它粒子占剩下的1%。
在银河系的星际空间中，宇宙线贡献了1/3的能量密度，是星际空间的重要组成部分，同时主导了星际化学和恒星形成等天体物理过程。因此，宇宙线的研究对于人类认识宇宙有重要意义。
宇宙线的能谱在拍电子伏(1拍=1千万亿)附近呈现一个拐折结构，这表明银河系中存在着至少能把质子加速到拍电子伏的天体。对于目前的人类文明来说，拍电子伏是一个难以企及的能量，相比起来，目前地球上最大的人造粒子加速器（即欧洲核子研究中心的LHC）能够加速粒子的极限能量仅为0.01拍电子伏左右。这些宇宙线的起源天体相当于天然的粒子物理实验室，找到这些天体并研究它们的特性不仅是人类认识理解宇宙的一个重要里程碑，也可能成为突破当前基础物理学框架的关键一步。
图1. 1太电子伏特之上的宇宙线能谱，红圈标出了1拍电子伏特附近的拐折（图片来源：Blümer et al 2009, Prog. Part. Nucl. Phys.63293）
在宇宙线被发现一个多世纪后的今天，人类对于宇宙线的研究与认识有了巨大的进展，但对于银河系中的拍电子伏宇宙线加速器的天体类型与位置却一直没有明确的答案。这是为什么呢？
主要难点有两个：第一，宇宙中遍布磁场，而带电粒子在磁场中运动时会被磁场偏折运动方向。宇宙线从源到地球的传播过程中已经失去源的位置信息，科学家们无法通过宇宙线粒子的到达方向直接定位源的位置。鉴于这种情况，科学家们转而把目标变为探测这些宇宙线与星际介质相互作用产生的光子。
第二，把粒子加速到拍电子伏的条件相当苛刻，即便天体具有很强的加速能力，也只有很小一部分粒子能成功达到如此之高的能量，因此产生的超高能光子的信号也非常弱。
让我们来更详细地看一下宇宙线与星际介质的相互作用过程：当一个拍电子伏的质子与源内或源周围的物质产生碰撞时，它会损失一部分能量并产生两个能量为其10%左右的伽马光子；而一个拍电子伏的电子也会通过与宇宙微波背景光的散射并产生一个几百太电子伏的光子(1拍=1000太)。
由于光子的运动不会受磁场影响，探测到能量在0.1拍电子伏以上的光子（也称为超高能光子）的源便可定位拍电子伏粒子加速器。然而此前国际上主流探测器主要工作在0.1 拍电子伏能量以下，难以有效确认拍电子伏宇宙线加速器。
我国的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是当前国际上最灵敏的超高能伽马射线探测器。它的工作能量从太电子伏一直延伸到拍电子伏，不仅具有一平方公里的超大有效探测面积，其配备的1188个缪子探测器还能够把混在十万个背景事件中的一个光子信号准确挑出。凭借着强劲的性能，LHAASO仅靠其在1/2规模阶段运行11个月收集到的数据，便一举在银河系内发现了12个超高能伽马射线源！
这项里程碑式的新发现打开了超高能伽马射线天文观测的新窗口，使人类得以瞥见银河系中的汹涌暗流。我们有理由相信，在未来几年中，当完整的LHAASO投入使用后，很可能会发现银河系中遍布超高能伽马射线源，这足以撼动人类对银河系的传统认知。
在这12个源当中，既包含了如蟹状星云、天鹅座恒星形成区等在伽马射线天文领域著名的天体，也有此前从未发现过的新源。最令人吃惊的是，前两者中最高的光子能量竟达到了1拍电子伏，大大刷新了人类探测到的光子最高能量的纪录，也对这两个天体的传统理论解释提出了严重的挑战。
蟹状星云诞生于公元1054年的一次超新星爆发。在这喻示恒星毁灭的惊叹声中，一颗强劲的脉冲星产生了。这颗脉冲星驱动的极端相对论性正负电子对风，在与超新星抛射物激烈的相互作用下，造就了强大的拍电子伏粒子加速器。
蟹状星云与中国其实颇有渊源，它的诞生过程最早由北宋的司天监记录下来（《宋史·志·卷九》：“至和元年（1054）五月己丑，出天关东南可数寸，岁余稍没”）。这珍贵的历史记录使当代的天文学家得以确定蟹状星云的精确年龄并据此研究其演化及各种物理过程。如今，蟹状星云被称为“伽马天文标准烛光”，对天文学的意义不言而喻。在其被中国古天文学家发现的一千年后，中国的探测器又一次开启了人类对这个星云的新认知。
图2.（左）可见光波段观测到的蟹状星云（图片来源：NASA）（右）宋史中对产生蟹状星云的超新星爆发的记载（图片来源：界面新闻）
天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮的区域，这里聚集着大量的大质量恒星，总质量达到数万倍太阳质量。大质量恒星具有强烈的星风，速度可达几千公里每秒。在这样相对狭小的空间里，许多星风互相之间发生猛烈的碰撞，造成天鹅座恒星形成区复杂的强激波、强湍流的环境。
此外，大质量恒星的寿命只有百万年量级，可以预期频繁的超新星爆发，而后者产生的爆震波将进一步加剧该区域的激波与湍流过程，这使得天鹅座恒星形成区成为理想的宇宙线加速场所。LHAASO在该区域发现了1.4拍电子伏的最高能量光子，预示着“拍电子伏粒子加速器”或许已不足以形容天鹅座恒星形成区作为粒子加速器的强大。
图3. 红外波段的天鹅座恒星形成区
（图片来源：NASA）
值得一提的是，LHAASO的强劲性能不仅体现在对超高能伽马源的探测，还表现为其对源的能谱的精确测量。LHAASO团队分析了另外三个明亮源的能谱，发现光子数随能量的分布函数可以很好地用对数抛物线描述，这使得科学家们能够对这些光子背后的辐射机制与粒子加速过程做出定量的判断。
图4. LHAASO测量到的三个超高能伽马射线源的能谱，黑色实线是用对数抛物线对能谱的最佳拟合，拟合优度远高于用幂率函数的拟合（黑色虚线），小图是LHAASO对三个源的成像
作为我国第三代高山宇宙线探测器，LHAASO承载着中国一代又一代科学家与工程师持之以恒的梦想与心血。自1954年中国第一代高山宇宙线探测器在云南东川落雪山落成以来、经历了位于西藏羊八井第二代探测器ASγ与ARGO-YBJ的沉淀后，（点击此处了解有关ASγ的有用知识）中国在伽马射线天文学领域跻身于世界前列，而LHAASO将在未来至少十年内引领这个领域的发展。当中国逐步在国际社会上展现出大国担当的同时，我们也期待着今后中国能为人类对宇宙的探索做出更多重要的贡献。
图5. 中国三代高山宇宙线探测器。（上）云南东川落雪山宇宙线实验站，海拔3180米；（中）西藏羊八井宇宙线观测站ASγ和ARGO-YBJ，海拔4300米；（下）四川稻城海子山高海拔宇宙线观测站LHAASO，海拔4410米，目前已基本建成（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
作者单位：柳若愚：南京大学；
杨睿智：中国科学技术大学
（文中所有图片均由作者提供）
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