位于海拔4400米的稻城，我國“高海拔宇宙線觀測(cè)站”有哪些重磅發(fā)現(xiàn)？

我是中科院高能物理研究所副研究員李哲，從事粒子天體物理的研究工作，整天和來自宇宙的射線打交道。

我國大科學(xué)裝置“高海拔宇宙線觀測(cè)站”（LHAASO，“拉索”）位于四川省稻城縣海子山上，這里的平均海拔約4410米，它是世界上海拔最高的宇宙射線探測(cè)陣列，也是我工作所依賴的設(shè)備。

這個(gè)“科學(xué)重器”的策劃太及時(shí)了！就在前幾天，我們拉索觀測(cè)站成果新聞發(fā)布會(huì)在北京召開，會(huì)上公布了兩項(xiàng)重磅發(fā)現(xiàn)：

1、銀河系里那些由黑洞吸積驅(qū)動(dòng)的微類星體，就像一個(gè)個(gè)超級(jí)粒子加速器，能把質(zhì)子加速到極高的能量——拍電子伏級(jí)別。

2、宇宙線質(zhì)子能譜上叫“膝”的區(qū)域，出現(xiàn)了比預(yù)想更強(qiáng)的高能成分，而黑洞正是最有可能的“幕后推手”。

這些結(jié)果不僅讓我們離解開宇宙線起源之謎更近了一步，也為研究黑洞系統(tǒng)的極端物理現(xiàn)象打開了一扇新窗口。

高不成低不就，4400米剛剛好

大家可以把宇宙想象成一個(gè)巨大的“戰(zhàn)場(chǎng)”，每時(shí)每刻都有無數(shù)高能粒子像炮彈一樣，從宇宙的各個(gè)角落轟向地球。這些炮彈，科學(xué)家給它們起了個(gè)名字，叫做 “宇宙線” ，或者更準(zhǔn)確地叫 “宇宙高能粒子”。

劉慈欣《三體》小說描繪有一種叫“光粒”的東西，它是宇宙高等文明使用一種打擊對(duì)方恒星的武器。根據(jù)小說描繪的使用情況，感覺光粒并非是光子，而更像是一種近光速運(yùn)動(dòng)的有質(zhì)量粒子，目前人類已找到兩顆超高能粒子，劉慈欣或許正是借鑒了現(xiàn)實(shí)中的宇宙線的概念。

我們的目標(biāo)就是捕捉這些“宇宙炮彈”，研究它們，從而揭開宇宙的奧秘。但問題是，這些“炮彈”一旦撞上地球的大氣層，就會(huì)跟空氣中的原子核“擦出火花”，產(chǎn)生一場(chǎng)盛大的“次級(jí)煙花雨”——這就是 “廣延大氣簇射（Extensive air shower, EAS）”。

廣延大氣簇射是指當(dāng)能量極高的原初宇宙線粒子撞擊地球大氣層頂部時(shí)，會(huì)與大氣中的原子核（如氮、氧）發(fā)生相互作用，產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子（如π介子、K介子等）。這些次級(jí)粒子又迅速衰變或繼續(xù)相互作用，產(chǎn)生更多的粒子，如μ子、電子、光子和中微子。這個(gè)過程像一場(chǎng)粒子“雪崩”，形成一個(gè)以光速向前傳播、覆蓋數(shù)平方公里范圍的粒子盤，這就是“廣延大氣簇射”。

我們的探測(cè)器無法直接到太空中去捕捉原初宇宙線（雖然衛(wèi)星實(shí)驗(yàn)也在做，但受限于有效載荷和探測(cè)面積，只能探測(cè)能量較低的部分），因此，在地面上間接探測(cè)其產(chǎn)生的次級(jí)粒子，是研究極高能量宇宙線的主要手段。

將探測(cè)器建于高海拔地區(qū)，在物理上最根本的原因之一就是靠近簇射極大值，以獲取最豐富的粒子信息。廣延大氣簇射的發(fā)展是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程：粒子數(shù)隨著大氣深度增加而迅速增長，達(dá)到一個(gè)峰值，這個(gè)點(diǎn)稱為 “簇射極大值”，越過極大值后，由于能量損失和吸收，粒子數(shù)開始指數(shù)衰減。

對(duì)于LHAASO主要探測(cè)的TeV-PeV能區(qū)的伽馬光子和宇宙線，在4400米的高海拔，探測(cè)器正好位于或非常接近許多重要簇射的極大值區(qū)域。在此處，次級(jí)粒子的通量達(dá)到最大，我們可以捕捉到最完整、最豐富的粒子信息樣本，意味著我們能夠更精確地重建原初粒子的性質(zhì)，比如能量、方向和成分。

LHAASO復(fù)合陣列

LHAASO陣列由平方公里的電磁粒子和繆子探測(cè)器陣列（KM2A）、水切倫科夫探測(cè)器陣列（WCDA）、廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（WFCTA）組成，旨在研究宇宙線的起源、傳播和加速機(jī)制。

LHAASO在運(yùn)行初期就發(fā)現(xiàn)了首批銀河系“拍電子伏特”宇宙加速器，開啟了超高能（能量大于百萬億電子伏特）伽馬天文窗口，為破解銀河系內(nèi)宇宙線加速源帶來了戰(zhàn)略性機(jī)遇，被美國列為了國際領(lǐng)先的伽馬射線和宇宙線研究領(lǐng)域的主導(dǎo)性實(shí)驗(yàn)裝置。

LHAASO的獨(dú)特設(shè)計(jì)讓它成為尋找“拍電子伏特”加速源的“神器”，這一巨大的復(fù)合陣列覆蓋了大約1.3平方公里，它就像個(gè)全天候工作的"宇宙監(jiān)控?cái)z像頭"，專門捕捉那些超高能宇宙線。

LHAASO的重磅發(fā)現(xiàn)

自從建成運(yùn)行以來，我們拉索的新發(fā)現(xiàn)接連不斷！有科學(xué)家表示，這座位于高原之巔的觀測(cè)站產(chǎn)出重磅成果的速度堪比當(dāng)年的日本神岡探測(cè)器。

1. 發(fā)現(xiàn)了12個(gè)“拍電子伏”超高能伽馬射線源！

這是個(gè)啥概念？“拍電子伏”是一個(gè)能量單位，1拍電子伏 = 1000萬億電子伏！這是什么水平？比地球上最大粒子對(duì)撞機(jī)——大型強(qiáng)子撞機(jī)（LHC）能產(chǎn)生的粒子最高能量還要高出100倍以上！

以前，科學(xué)家普遍認(rèn)為，銀河系內(nèi)的天體，其加速粒子的能量極限就在1拍電子伏以下，被稱為 “拍電子伏截?cái)唷?。但LHAASO一上來，就一口氣發(fā)現(xiàn)了12個(gè)能量達(dá)到拍電子伏的光子，直接來自天鵝座、蟹狀星云等天體。

這意味著什么？這意味著，在我們銀河系里，就存在著天然的“拍電子伏粒子加速器”！它們加速粒子的效率，遠(yuǎn)超人類建造的任何機(jī)器。這個(gè)發(fā)現(xiàn)，直接打破了傳統(tǒng)的“拍電子伏截?cái)唷崩碚?，開啟了 “超高能伽馬天文學(xué)”的新紀(jì)元。

當(dāng)然，這還不是人類發(fā)現(xiàn)的最高能宇宙線。2021年，在美國猶他州沙漠中有一個(gè)叫“望遠(yuǎn)鏡陣列項(xiàng)目”的宇宙線探測(cè)陣列探測(cè)到一顆超高能粒子，能量達(dá)到了240EeV（2.4萬億億電子伏特），這個(gè)能量是人類斥資百億美元建造的最強(qiáng)大加速器“大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)”的一千萬倍！無獨(dú)有偶，1991年，科學(xué)家曾經(jīng)探測(cè)到一個(gè)能量甚至更高的粒子，達(dá)到了320EeV（3.2萬億億電子伏特），業(yè)內(nèi)稱之為“Oh-My-God particle”！這個(gè)名字似乎讓我們看到了科學(xué)家驚訝的樣子。

2. 記錄到了史上最亮的伽馬射線暴（GRB 221009A）的高能光子

2022年10月9日，一次極其明亮的伽馬射線暴被眾多望遠(yuǎn)鏡捕捉到，它被戲稱為 “有史以來最亮”的伽馬射線暴（BOAT）。LHAASO成功地捕捉到了這次事件中能量高達(dá)10 TeV（萬億電子伏特）以上的光子。

這不僅再次證明了LHAASO極快的響應(yīng)速度和極高的靈敏度，更重要的是，這些高能光子攜帶著伽馬射線暴源頭（很可能是大質(zhì)量恒星坍縮成黑洞的瞬間）的極端物理過程信息，對(duì)理解宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象具有里程碑式的意義。

3. 精確測(cè)量了“天鵝座”區(qū)域的超高能伽馬射線源

“天鵝座”是我們銀河系內(nèi)一個(gè)非常重要的恒星形成區(qū)。LHAASO以前所未有的精度，描繪出了這個(gè)區(qū)域超高能伽馬射線的分布圖。這就像我們第一次有了一張清晰的“藏寶圖”，上面標(biāo)明了銀河系中這些超級(jí)加速器的具體位置和強(qiáng)度，為尋找宇宙線的具體起源地提供了至關(guān)重要的線索。

在問答開始，我們提到了“拉索”兩項(xiàng)最新科研成果，以及近期發(fā)表在《Physical Review Letters》上關(guān)于原初黑洞的研究?？梢哉f，“拉索”正在不斷推開人類認(rèn)知宇宙的窗口，持續(xù)帶來具有全球影響力的科學(xué)突破。

LHAASO不僅僅是一個(gè)觀測(cè)站，更像是一雙凝視宇宙最深處的“千里眼”。它捕捉到的每一個(gè)超高能光子，都在幫助我們拼出一幅更完整的宇宙極端物理圖像。這些發(fā)現(xiàn)或許不會(huì)很快變成手機(jī)里的某個(gè)應(yīng)用，但它們實(shí)實(shí)在在地拓展了人類對(duì)宇宙的認(rèn)知邊界，成為一個(gè)國家長遠(yuǎn)發(fā)展與科技創(chuàng)新的重要基石。

所以，當(dāng)我們下次再聽到“稻城”、“拉索LHAASO”、“拍電子伏”這些詞時(shí)，心中涌起的應(yīng)該是一份自豪和敬畏。自豪于我們能在世界屋脊，做出引領(lǐng)世界的科研成果，敬畏于我們所在的這個(gè)宇宙，是如此的神奇、壯麗而又充滿未知。

本文轉(zhuǎn)載自《騰訊太空》微信公眾號(hào)

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