高能宇宙線從哪里來(lái)？這是一個(gè)世紀(jì)之謎。近日，我國(guó)高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”（LHAASO）的新發(fā)現(xiàn)，讓我們離解開(kāi)這一謎題更近了一步。
2月26日，《科學(xué)通報(bào)》以封面文章的形式正式發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于高能宇宙線起源的重要成果。利用“拉索”的觀測(cè)數(shù)據(jù)，我國(guó)科研人員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)，在國(guó)際上首次找到能量高于1億億電子伏特的宇宙線的起源天體。
宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能帶電粒子，主要由質(zhì)子和多種元素的原子核組成。由于它攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽(yáng)活動(dòng)及地球空間環(huán)境等重要科學(xué)信息，因此，研究宇宙線及其起源是探索宇宙的重要途徑。
然而，自1912年發(fā)現(xiàn)宇宙射線以來(lái)，人類(lèi)卻始終沒(méi)有找到高能宇宙線的起源?！斑@是一個(gè)世紀(jì)謎題。2004年，美國(guó)國(guó)家科學(xué)技術(shù)委員會(huì)將其列為21世紀(jì)11個(gè)最前沿的科學(xué)問(wèn)題之一。”論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所曹臻院士說(shuō)。
那么，高能宇宙線來(lái)自哪里，為何這么難以判斷？曹臻解釋道：“主要是因?yàn)橛钪嫔渚€帶電荷，它們?cè)趥鞑サ倪^(guò)程中會(huì)受到銀河系磁場(chǎng)的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時(shí)的方向已經(jīng)不再指向源頭了，無(wú)法通過(guò)宇宙線的方向來(lái)尋找這種天體源?！?/p>
幸運(yùn)的是，宇宙線在其源頭被加速后，可能與附近的物質(zhì)發(fā)生碰撞，產(chǎn)生能量約為母體宇宙線能量十分之一的伽馬光子。由于伽馬光子不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測(cè)到的伽馬光子所來(lái)的方向就是該天體源方向，科學(xué)家可以借此尋找宇宙線的起源位置。
科學(xué)家測(cè)量發(fā)現(xiàn)，宇宙線的能譜在1000萬(wàn)億電子伏附近會(huì)出現(xiàn)一個(gè)拐折結(jié)構(gòu)。這個(gè)拐折結(jié)構(gòu)因形狀類(lèi)似膝關(guān)節(jié)，被稱為宇宙線能譜的“膝”。科學(xué)家們認(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1000萬(wàn)億電子伏左右。
但是，究竟何種天體能把宇宙線能量加速到比“膝”高，從而形成“膝”這種能譜結(jié)構(gòu)，仍然是一個(gè)未解之謎，也是近年來(lái)宇宙線研究中最引人關(guān)注的課題之一。
此次，“拉索”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)，就有多個(gè)能量超過(guò)1000萬(wàn)億電子伏的伽馬光子分布其中，能量最高達(dá)到2000萬(wàn)億電子伏。
“一般來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生能量為2000萬(wàn)億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子?！辈苷檎f(shuō)，因此，這表明泡狀結(jié)構(gòu)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，明顯超過(guò)了“膝”的能量，并注入星際空間。
“我們發(fā)現(xiàn)，位于巨型超高能伽馬射線泡中心附近的大質(zhì)量恒星星團(tuán)，最可能是高能宇宙線的起源天體。”論文共同通訊作者、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所副研究員李驄說(shuō)。
這個(gè)星團(tuán)由很多表面溫度超過(guò)35000攝氏度的恒星和表面溫度超過(guò)15000攝氏度的恒星組成。這些恒星的輻射強(qiáng)度是太陽(yáng)的百倍至百萬(wàn)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?chē)请H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。
曹臻表示，這是迄今人們能夠認(rèn)證的第一個(gè)高能宇宙線加速源。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(wàn)億電子伏特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。（陸成寬）
（責(zé)任編輯：蔡文斌）
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