我国科学家发现迄今为止能量最高的光子

[摘要]这些发现颠覆了人类对银河系内超高能粒子加速的传统认知，将开启“超高能伽马天文学”的新时代。

腾讯科技讯 2021年5月17日《自然》杂志发表了我国科学家的一项重要成果：在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到最高1.4拍电子伏伽马光子（拍=千万亿），这是人类观测到的最高能量光子，改变了人类对银河系的传统认知，开启“超高能伽马天文学”时代。

这是成果是由位于我国四川稻城的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）取得的。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）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，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。LHAASO采用这四种探测技术，可以全方位、多变量地测量宇宙线。

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。

LHAASO的这项成果具体来说有以下三个方面的科学突破：

1）揭示了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1 PeV的宇宙加速器。在这次观测中，LHAASO所能够有效观测到的伽马射线源中（观测中超过5倍标准偏差的超出视为有效观测），几乎所有的辐射能谱都稳定延伸到几百TeV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 PeV。这突破了当前流行的理论模型所宣称的银河系宇宙线加速PeV能量极限。同时，LHAASO发现银河系内大量存在PeV宇宙加速源，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。

2）开启“超高能伽马天文学”时代。1989年，亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1 TeV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，已经发现两百多个“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规模不到1年的观测数据，LHAASO就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。

随着LHAASO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。由于宇宙大爆炸产生的背景辐射无所不在，它们会吸收高于1 PeV的伽马射线。到了银河系以外，即使产生了PeV伽马射线，由于背景辐射光子的严重吸收，我们也接受不到这些PeV伽马射线。LHAASO打开银河系PeV辐射探测窗口，对于研究遥远的宇宙也具有特殊意义。

3）能量超过1 PeV的伽马射线光子首现天鹅座区域和蟹状星云。PeV光子的探测是伽马天文学的一座里程碑，承载着伽马天文界的梦想，长期以来一直是伽马天文发展的强大驱动力。事实上，上个世纪80年代伽马天文学爆发式发展的一个重要动机就是挑战PeV光子极限。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”。

LHAASO在天鹅座恒星形成区首次发现PeV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。这个区域将是LHAASO以及相关的多波段、多信使天文观测设备关注的焦点，有望成为解开“世纪之谜”的突破口。

无法用当今的模型解释

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，跨越22个量级的光谱精确测量清楚地表明其电子加速器的标志性特征。然而，LHAASO测到的超高能光谱，特别是PeV能量的光子，严重挑战了这个高能天体物理的“标准模型”，甚至于对更加基本的电子加速理论提出了挑战。