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超级宇宙线起源天体首次被找到,藏在天鹅座“大泡泡”中
新京报 记者 张璐 编辑 白爽
2024-02-26 08:34
未来“拉索”将可能探测到更多的千万亿电子伏乃至更高能量宇宙线的加速源,有望解决银河系宇宙线起源之谜。

“拉索”发现巨型伽马射线泡成果解读视频。


宇宙线是从外太空来的带电粒子,宇宙线的起源是当代天体物理学最重大的前沿科学问题之一。

 

记者从中国科学院高能物理研究所获悉,高海拔宇宙线观测站(LHAASO,“拉索”)在银河系天鹅座恒星形成区发现了一个“大泡泡”,它的质量是太阳系的几百万倍,“拉索”国际合作组由此在历史上首次发现,“泡泡”中藏着超级宇宙线的起源天体。该成果于2月26日以封面文章的形式在《Science Bulletin》(《科学通报》)上正式发表。


何种天体将宇宙线加速到超高能?

 

宇宙中,无数神秘的粒子正以接近光的速度飞驰,这些神秘的粒子就是宇宙线,其主要成分为质子,它们时刻造访地球。早期宇宙线的发现,促成了粒子物理学的成型和高能人工加速器的出现。宇宙线的特点是能量非常高。目前能量最高的粒子是欧洲大型强子对撞机(LHC)加速器加速出来的,而宇宙线的能量要比它高出几千万倍。

 

宇宙中哪些天体是宇宙线的起源?这些天体为什么能加速如此高能量的粒子?是怎么加速的?要回答这些问题,需要探测超高能宇宙线。“拉索”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,是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置。它通过分析探测宇宙线在大气中或到达地面后留下的痕迹,反推它们的性质和起源。


高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)。中国科学院高能物理研究所供图


中国科学院院士、高能物理研究所研究员曹臻是论文的通讯作者之一。据他介绍,测量发现,宇宙线的能谱(即宇宙线数量在粒子能量上的分布)在1千万亿电子伏附近呈现出一个拐折结构,因其形状类似膝关节而被称为宇宙线能谱的“膝”。

 

科学家们认为,能量比“膝”低的宇宙线起源于银河系内的天体,而“膝”的存在也表明银河系大部分的宇宙线起源天体(宇宙线源)加速质子的能量极限在1千万亿电子伏(1PeV)左右。然而,究竟是何种天体能把宇宙线能量加速到这么高,形成“膝”的能谱结构,仍然是一个未解之谜,也是近年来宇宙线研究中最引人关注的课题之一。

 

2021年,“拉索”在银河系内发现了大量超高能宇宙线加速器候选天体,并记录到最高1.4PeV(1PeV为1千万亿电子伏)的伽马光子。

 

“大泡泡”内藏着宇宙线起源

 

随着观测数据的积累,“拉索”在银河系天鹅座恒星形成区发现了巨型超高能伽马射线泡状结构。这个“大泡泡”的直径是1000光年,质量是太阳系的几百万倍,其内部有多个能量超过1千万亿电子伏的光子,最高达到2千万亿电子伏。

 

一般来说,产生能量为2千万亿电子伏的伽马光子,需要能量至少高10倍的宇宙线粒子。这表明,泡的内部存在超级宇宙线加速器,源源不断地产生能量至少达到2亿亿电子伏的高能宇宙线粒子,并注入到星际空间。

 

这些高能宇宙线与星际空间中的气体物质发生碰撞产生伽马光子,光子的数目与周围气体的分布呈现清晰的关联,而位于泡中心附近的大质量恒星星团(Cygnus OB2星协)则是超级宇宙线加速器最可能的对应天体。


由超级宇宙线加速源产生的超高能伽马射线泡示意图。中国科学院高能物理研究所供图


大质量恒星星团形成极端环境,成为粒子加速器

 

天体加速宇宙线的条件、环境和过程是什么样的?

 

曹臻在阐释“加速机制”时表示,星协是由很多年轻、炽热的大质量恒星组成的密集星团。这些大质量恒星包括表面温度超过约3万5千度的恒星(O型星)和表面温度超过约1万5千度的恒星(B型星)。它们的寿命只有几百万年,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。

 

这些恒星的辐射强度是太阳的百倍至百万倍,巨大的辐射压将恒星表面物质吹出,形成了强烈的星风,速度可达每秒上千公里。星风与周围星际介质的碰撞以及星风之间的猛烈碰撞产生了强激波、强湍流的极端环境,成为强大的粒子加速器。这是迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源。

 

通过这次研究,科研人员还有一个重要的发现——宇宙线的扩散速度要远比原来认为的慢。“打比方说,就好比将一滴墨汁注入清水中,如果扩散很快,立刻就变成了墨水,就不能看见最初放入的那一滴墨了,如果宇宙线也扩散得快,我们就无法在恒星形成区附近看到巨型超高能伽马射线泡状结构,所以其扩散速度比我们原来认识的要慢100倍。”他说。

 

随着观测时间的增加,未来“拉索”将可能探测到更多的千万亿电子伏乃至更高能量宇宙线的加速源,有望解决银河系宇宙线起源之谜。


新京报记者 张璐

编辑 白爽 校对 张彦君

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