超级宇宙线起源天体首次被找到，藏在天鹅座“大泡泡”中

“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。

记者/张璐

编辑/白爽

校对/张彦君

运营编辑/刘茜贤