LHAASO重磅新发现！中国开启“超高能伽马天文学”时代

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）标识。中科院高能所 供图

中科院高能所和施普林格·自然5月17日在北京联合举行新闻发布会介绍说，高能与天文领域这两项重大科学发现成果论文，由中科院高能所牵头的LHAASO国际合作组完成，国际著名学术期刊《自然》（Nature）当天将在线发表。

LHAASO新发现具体内容是什么？

LHAASO首席科学家、中科院高能所曹臻研究员介绍说，目前，LHAASO尚在建设之中，这次两大科学发现新成果是基于LHAASO已经建成的1/2规模探测装置，在2020年11个月的观测结果。LHAASO国际合作组科学家们发现的能量超过拍电子伏的光子，来自银河系天鹅座内非常活跃的恒星形成区。

水池注水后的LHAASO水切伦科夫探测器内部。中科院高能所 供图

同时，科学家们还发现12个稳定伽马射线源，能量一直延伸到1拍电子伏附近，这是位于LHAASO视场内银河系内最明亮的一批伽马射线源，测到的伽马光子信号高于周围背景7倍标准偏差以上，源的位置测量精度优于0.3度。

LHAASO水池内安装到位的部分探测器阵列。中科院高能所 供图

虽然此次观测积累的数据还很有限，但所有能被LHAASO观测到的源，它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”。这表明银河系内遍布拍电子伏加速器，而人类在地球上建造的最大加速器（欧洲核子研究中心的大型强子对撞机）只能将粒子加速到0.01拍电子伏。

为什么选择天鹅座？曹臻称，天鹅座恒星形成区拥有多个具有大量大质量恒星的星团，大质量恒星的寿命只有百万年的量级，因此星团内部充满大量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”。

雪后的LHAASO一处探测器阵列。中科院高能所 供图

为何说开启“超高能伽马天文学”的新时代？

曹臻指出，银河系内的宇宙线加速器存在能量极限此前是个“常识”，从而预言的伽马射线能谱在0.1拍电子伏以上有“截断”现象，而LHAASO的新发现则完全突破这个“极限”，大多数源没有截断。

因此，这些发现正式开启“超高能伽马天文”观测时代，表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体，将有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。

他表示，在LHAASO新发现基础上，科学家们也需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，探索极端天体现象及其相关的物理过程并在极端条件下检验基本物理规律。

LHAASO此次科学成果发现在宇宙线起源的研究进程上具有里程碑意义，可概括为三方面科学突破：

一是揭示银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1PeV的宇宙加速器，突破了当前流行的理论模型。LHAASO发现银河系内大量存在的PeV宇宙加速源，它们都是超高能宇宙线源的候选者。

二是随着LHAASO的建成和持续不断的数据积累，可以预见这一探索极端宇宙天体物理现象的最高能量天文学研究，将展现一个充满新奇现象的未知“超高能宇宙”。

三是能量超过1PeV的伽马射线光子首现天鹅座区域和蟹状星云，使得这个本来就备受关注的区域成为超高能宇宙线源的最佳候选者，有望成为解开宇宙线起源“世纪之谜”的突破口。

LHAASO部分探测器阵列。中科院高能所 供图

核心科学目标和技术创新有哪些？

LHAASO是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于稻城县海拔4410米的海子山，占地面积约1.36平方公里，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（KM2A）、7.8万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，采用4种探测技术全方位、多变量测量宇宙线。

LHAASO的核心科学目标就是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。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，也称“太电子伏”）到超过1PeV（1000万亿电子伏，也称“拍电子伏”）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，揭示宇宙线产生、加速和传播的规律，探索新物理前沿。

在技术创新方面，LHAASO一是开发出远距时钟同步技术，确保整个阵列的每个探测器同步精度可达亚纳秒水平；二是在高速前端信号数字化、高速数据传输、大型计算集群协助下满足多种触发模式并行等尖端技术要求；三是首次大规模使用硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测技术，大大提高伽马射线测量的空间分辨率，实现更低的探测阈能。

通过持续创新，LHAASO使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面，都达到前所未有的水平，为开展大气、环境、空间天气等前沿科学交叉研究提供重要实验平台，也是开展高水平国际合作研究的科学基地。

LHAASO地面簇射粒子阵列。中科院高能所 供图

LHAASO什么时候全部建成？

中科院高能所科普称，中国的宇宙线实验研究至今已经历三个发展阶段：

1954年，中国第一个高山宇宙线实验室在海拔3180米的云南东川落雪山建成。

1989年，在海拔4300米的西藏羊八井启动中日合作的宇宙线实验，并于2000年启动中意ARGO—YBJ实验。

2009年，北京香山科学会议上，曹臻提出在高海拔地区建设大型复合探测阵列“高海拔宇宙线观测站”的完整构想。目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙线实验室。

高山实验是宇宙线观测研究中能够充分利用大气作为探测介质、在地面进行观测的手段，探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。对于超高能量的宇宙线，这是唯一的观测手段。

LHAASO主体工程于2017年开始建设，2019年4月完成1/4规模建设并投入科学运行，开启边建设、边运行模式，2020年1月完成1/2规模的建设并投入运行，同年12月完成3/4规模并投入运行。

LHAASO首席科学家、中科院高能所曹臻研究员介绍研究成果。中新社记者 孙自法 摄

曹臻表示，LHAASO按计划2021年全部建成，成为国际领先的超高能伽马探测装置，LHAASO后续长期运行，将从多个方面展开宇宙线起源的探索性研究。