高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”（LHAASO）在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)了一個(gè)巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，歷史上首次找到能量高于1億億電子伏的宇宙線的起源天體。2月26日，相關(guān)研究成果以封面文章的形式，發(fā)表在《科學(xué)通報(bào)》（Science Bulletin）上。

宇宙線是從外太空來的帶電粒子，其主要成分為質(zhì)子。宇宙線的起源是當(dāng)代天體物理學(xué)最重要的前沿科學(xué)問題之一。測(cè)量發(fā)現(xiàn)，宇宙線的能譜（即宇宙線數(shù)量在粒子能量上的分布）在1千萬億電子伏附近呈現(xiàn)出一個(gè)拐折結(jié)構(gòu)，因形狀類似膝關(guān)節(jié)而被稱為宇宙線能譜的“膝”。科學(xué)家認(rèn)為，能量比“膝”低的宇宙線起源于銀河系內(nèi)的天體，而“膝”的存在也表明銀河系大部分的宇宙線源加速質(zhì)子的能量極限在1千萬億電子伏左右。然而，何種天體能夠把宇宙線能量加速到這么高能量，形成“膝”的能譜結(jié)構(gòu)，仍是未解之謎，也是近年來宇宙線研究中最引人關(guān)注的課題之一。

“拉索”此次在天鵝座恒星形成區(qū)發(fā)現(xiàn)的巨型超高能伽馬射線泡狀結(jié)構(gòu)，內(nèi)有多個(gè)能量超過1千萬億電子伏的光子分布，最高達(dá)到2千萬億電子伏。一般來說，產(chǎn)生能量為2千萬億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。這表明泡內(nèi)部存在超級(jí)宇宙線加速器，源源不斷地產(chǎn)生能量至少達(dá)到2億億電子伏的高能宇宙線粒子，并注入到星際空間。這些高能宇宙線與星際空間中的氣體物質(zhì)發(fā)生碰撞產(chǎn)生伽馬光子，光子的數(shù)目與周圍氣體的分布呈現(xiàn)清晰的關(guān)聯(lián)，而位于泡中心附近的大質(zhì)量恒星星團(tuán)（Cygnus OB2星協(xié)）則是超級(jí)宇宙線加速器最可能的對(duì)應(yīng)天體。星協(xié)是由很多表面溫度超過約3萬5千度的恒星（O型星）以及表面溫度超過約1萬5千度的恒星（B型星）這類年輕、熾熱的大質(zhì)量恒星組成密集星團(tuán)。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。這是迄今為止人們能夠認(rèn)證的第一個(gè)超級(jí)宇宙線加速源。隨著觀測(cè)時(shí)間的增加，“拉索”將可能探測(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。

“拉索”根據(jù)觀測(cè)推斷出泡內(nèi)超級(jí)宇宙線加速器使得周邊星際空間的宇宙線密度顯著高于銀河系內(nèi)宇宙線的平均水平。它所影響的空間范圍甚至遠(yuǎn)超目前觀測(cè)到的氣泡尺度，為“拉索”此前探測(cè)到的銀河系彌散伽馬射線輻射的超出提供了可能的解釋。

“拉索”是以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是由5216個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的一平方公里地面簇射粒子探測(cè)器陣列、7.8萬平方米水切倫科夫探測(cè)器陣列以及由18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成的復(fù)合陣列。“拉索”于2021年7月建成并開始高質(zhì)量穩(wěn)定運(yùn)行，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)裝置。設(shè)施的運(yùn)行由中國科學(xué)院高能物理研究所承擔(dān)，采用通用的國際合作模式，實(shí)現(xiàn)設(shè)施平臺(tái)與觀測(cè)數(shù)據(jù)的開放共享。目前，已有32個(gè)國內(nèi)外天體物理研究機(jī)構(gòu)成為“拉索”的國際合作組成員單位，成員約280人。

該工作由高能所牽頭的LHAASO國際合作組完成。中國科學(xué)院院士、高能所研究員曹臻，高能所博士研究生高川東、副研究員李驄，南京大學(xué)研究員柳若愚，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授楊睿智為論文的共同通訊作者。

《科學(xué)通報(bào)》封面

天鵝座泡狀結(jié)構(gòu)的流強(qiáng)隨能量分布以及模型擬合結(jié)果