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宇宙無限,信使有痕!
5月17日
國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施
“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)”公布
在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)
大量超高能宇宙加速器
并記錄到能量達(dá)1.4拍電子伏的
伽馬光子(拍=千萬億)
這是人類觀測到的最高能量光子
突破了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知
開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”的時代
四川LHAASO如何破解宇宙演化之謎
這些發(fā)現(xiàn)將于
2021年5月17日發(fā)表在《Nature》(自然)
該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所
牽頭的LHAASO國際合作組完成
看不懂?
那是因為你沒搞清楚這些
科普來了!
01
什么是LHAASO?它到底有多牛?
LHAASO(Large High Altitude Air Shower Observatory) 全稱為:高海拔宇宙線觀測站。
2017年,國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——LHAASO在四川稻城海子山開建,經(jīng)過4年建設(shè),預(yù)計今年7月將整體完工。
具體來說,它是捕捉“天外來客”的“火眼金睛”、國之重器,它是目前世界上靈敏度最高的超高能伽馬射線觀測站,它將助力于破解宇宙線起源這一“世紀(jì)之謎”,在建設(shè)過程中,它已經(jīng)陸續(xù)有1/2、3/4的陣列投入科學(xué)運行。
LHAASO的核心科學(xué)目標(biāo)就是:探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化,尋找暗物質(zhì)。
LHAASO憑借其高海拔、大面積以及極強(qiáng)的背景排除能力成為世界上最靈敏度的超高能伽馬射線觀測站,就在四川稻城的海子山上;項目還沒建完,就取得了重大成果,你說牛不牛?
02
什么是宇宙線?我們?yōu)槭裁匆^測它?
宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子,是連接宇觀與微觀的重要載體,對它們的研究貫穿粒子物理學(xué)、宇宙學(xué)、天體物理學(xué)三大學(xué)科領(lǐng)域,直接關(guān)系宇宙中高能粒子如何被加速以及怎么傳播,是人類探索宇宙及其演化的重要途徑。
03
“超高能宇宙加速器”——到底是什么?
能將宇宙線加速到高達(dá)千萬億電子伏特(PeV)級別的天體,被稱為“拍電子伏宇宙加速器”(PeVatron),又名超高能宇宙加速器。
超高能宇宙線加速器可能是銀河系內(nèi)活動最為劇烈的天體。根據(jù)理論模型,超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等,是最可能的超高能宇宙加速器。
04
如何理解“人類觀測到的最高能量光子”?
LHAASO探測到來自銀河系內(nèi)的能量1.4拍電子伏的伽馬光子(拍=千萬億),這是人類迄今觀測到的最高能量光子。這個光子,改變了人類對銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知。要知道,人類在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的LHC)只能將粒子加速到0.01拍電子伏。
此前,銀河系內(nèi)的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”,過去預(yù)言其輻射出的光子的能量極限就在0.1拍電子伏附近,而LHAASO的新發(fā)現(xiàn)完全打破了這個極限,為我們開辟了一個全新的探索空間。
05
“超高能伽馬天文學(xué)”的新時代來了?
1989年,亞利桑那州惠普爾天文臺發(fā)現(xiàn)了首個具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體,標(biāo)志著“甚高能”伽馬射線天文學(xué)時代的開啟,在隨后的30年里,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過兩百多個“甚高能”伽馬射線源。但是,直到2019年,人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。
令人驚喜的是,僅基于1/2規(guī)模的LHAASO不到1年的觀測數(shù)據(jù),就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個。
隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累,可以預(yù)見這一最高能量的天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的“超高能宇宙”,為探索極端天體物理現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù)。
我們知道,由于宇宙大爆炸產(chǎn)生的背景輻射無所不在,它們會吸收高于1 PeV的伽馬射線。在銀河系之外,即使它們產(chǎn)生出來,由于被背景輻射嚴(yán)重吸收,我們也接受不到。由此可見,LHAASO打開的這個在PeV能量觀測銀河系的窗口,對于研究遙遠(yuǎn)的宇宙也具有特殊意義。
發(fā)現(xiàn)拍電子伏宇宙加速器和PeV光子
有何意義?
具體來說有以下三個方面的科學(xué)突破。
揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘W幽芰考铀俪^1 PeV的宇宙加速器。這突破了當(dāng)前流行的理論模型所宣稱的銀河系宇宙線加速PeV能量極限。同時,LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)大量存在PeV宇宙加速源,也向著解決宇宙線起源這一科學(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步。
開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時代。1989年,亞利桑那州惠普爾天文臺成功發(fā)現(xiàn)了首個具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體,標(biāo)志著“甚高能”伽馬射線天文學(xué)時代的開啟,在隨后的30年里,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過兩百個“甚高能”伽馬射線源。直到2019年,人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。出人意料的是,僅基于1/2規(guī)模的LHAASO不到1年的觀測數(shù)據(jù),就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個。
隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累,可以預(yù)見這一最高能量的天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個充滿新奇現(xiàn)象的未知的“超高能宇宙”,為探索宇宙極端天體物理現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù)。LHAASO打開銀河系PeV輻射探測窗口,對于研究遙遠(yuǎn)的宇宙也具有特殊意義。
此外,能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮的區(qū)域,擁有多個大質(zhì)量恒星星團(tuán),大質(zhì)量恒星的壽命只有幾百萬年,因此星團(tuán)內(nèi)部充滿了恒星生生死死的劇烈活動,具有復(fù)雜的強(qiáng)激波環(huán)境,是理想的宇宙線加速場所,被稱為“粒子天體物理實驗室”。
LHAASO在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)PeV伽馬光子,使得這個本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區(qū)。這個區(qū)域?qū)⑹荓HAASO以及相關(guān)的多波段、多信使天文觀測設(shè)備關(guān)注的焦點,有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。