数据地图：2019年4月在稻城到成都的航班上，俯瞰在建的LHAASO。中新社记者孙子发照片
本文转自中新网
北京， 5月17日电(记者孙子发)中国科学家在银河系发现第一批超高能宇宙加速器，记录到高达1.4拍(1拍=1万亿)的电子伏(electron volts)光子，这是人类观测到的最高能量光子，改变了人类对银河系粒子加速的传统认知。
在四川稻城建成的中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)国家重大科技基础设施——高空宇宙线观测站(LHAASO)以首批“电子伏加速器”和最高能量光子，正式开启了“超高能伽马天文学”时代，为解决宇宙线起源的科学问题迈出了至关重要的一步。
高空宇宙射线天文台(LHAASO)标志。图片由中国科学院高能研究所提供
中国科学院高能研究所和Springer Nature月17日在北京联合召开新闻发布会，称高能和天文学领域的两篇重大科学发现论文由中国科学院高能研究所牵头的LHAASO国际合作组完成，国际知名学术期刊《自然》(自然)》将于当日在线发表。
LHAASO新发现具体内容是什么？
LHASAO首席科学家、中科院高能所研究员曹振表示，目前LHASAO还在建设中，两项新的科学发现是基于LHASAO 2020年11个月建成的1/2规模探测装置的观测结果。LHAASO国际合作小组的科学家发现，能量超过10亿次的光子来自银河系天鹅座非常活跃的恒星形成区。
池内注水后的LHAASO水在切伦科夫探测器内部。图片由中国科学院高能研究所提供
与此同时，科学家们还发现了12个稳定的伽马射线源，其能量已经扩展到大约一拍电子伏。这些是LHAASO视野中银河系中最亮的伽马射线源。测得的光子信号比周围背景高7倍标准差，源的位置测量精度优于0.3度。
在LHAASO池中安装部分探测器阵列。图片由中国科学院高能研究所提供
虽然这次观测积累的数据还很有限，但是LHAASO能观测到的源都有0.1拍电子伏以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”。这说明银河系充满了百电子伏加速器，而人类在地球上建造的最大的加速器(CERN的大型强子对撞机)只能将粒子加速到0.01百电子伏。
为什么选择天鹅座？曹真说，天鹅座恒星形成区有很多星团，有大量的大质量恒星，大质量恒星的寿命只有几百万年的数量级。因此，星团内充满了大量恒星生老病死的剧烈活动，具有复杂的强冲击波环境，是理想的宇宙射线加速场所。它被称为“粒子天体物理实验室”。
雪后LHAASO中的探测器阵列。图片由中国科学院高能研究所提供
为何说开启“超高能伽马天文学”的新时代？
曹真指出，在银河系宇宙射线加速器能量极限存在之前是一个“常识”，它预言伽马能谱在0.1拍电子伏特以上被“截断”，而LHAASO的新发现则完全突破了这个“极限”，绝大部分来源都没有被截断。
因此，这些发现正式开启了“超高能伽马天文学”的观测时代，表明年轻的大质量星团、超新星遗迹和脉冲星云是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选者，这将有助于解开宇宙线起源的“世纪之谜”。
他说，基于LHAASO的新发现，科学家还需要重新理解银河系中高能粒子的产生和传播机制，例如
首先，它揭示了银河系中存在宇宙加速器，可以将粒子能量加速1百电子伏以上，突破了目前流行的理论模型。LHAASO在银河系中发现了大量的PeV宇宙加速源，这些都是超高能宇宙射线源的候选者。
第二，随着LHAASO的完成和不断的数据积累，可以预见，这种探索极端宇宙中天体物理现象的最高能量天文学研究，将呈现出一个充满新奇现象的未知“超高能宇宙”。
第三，能量超过1PeV的伽马射线光子首先出现在天鹅座区域和蟹状星云，使得这个备受关注的区域成为超高能宇宙线源的最佳候选，有望成为解开本世纪宇宙线起源之谜的突破口。
LHAASO的部分检测
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。
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