粒子“星探”出动！稻城这座在建的观测站发现了大量高能粒子加速器候选体

原文作者：Petra Huentemeyer

研究人员探测到了银河系最高能粒子天体物理加速器的12个候选体，将帮助揭示这些奇异天体的性质。

银河系中最高能的粒子加速器是什么？数量有多少？你可能不会相信，尽管我们对银河系已经有了一定的了解，但科学家仍然无法明确回答这些问题。最近在《自然》发表的一篇文章中，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）合作组[1]探测到了数量空前的此类加速器的候选体，开启了超高能天体物理学的新时代。

星际空间中充满了以近光速运动的质子和其他原子核。这些被称为宇宙线（cosmic ray）的粒子是一个多世纪前由美籍奥地利裔物理学家维克多·赫斯 （Victor Hess）首次发现的[2]。赫斯将大气电离率测量装置搭载在热气球飞行器上，他发现电离率随海拔升高而增加，并得出结论：“贯穿本领极高的辐射从外部进入了大气层”。科学家后来确定宇宙线就是带电粒子[3]。

现代地面天文台发现，宇宙线的能量可以超过1拍电子伏（1PeV=10¹⁵eV）。能量如此之高，比位于瑞士日内瓦近郊的欧洲核子研究中心（CERN）的大型强子对撞机（LHC）的加速器所能达到的能量还要高出100倍。能将粒子加速到具有如此巨大能量的天体物理加速器被称为PeVatron（拍电子伏特宇宙线加速器），这个名字对应于Tevatron——于2011年退役的芝加哥近郊费米实验室的太伏质子加速器。

目前为止，PeVatron到底是什么、银河系中又有多少PeVatron的问题都没有确切的答案。要找到它们面临着一个挑战：由于宇宙线本质上是带电粒子，它们的运动轨迹会被星际磁场改变，因此要确定宇宙线的源头是不可能的。然而，有一种办法能绕过这个问题——那就是追踪伽马射线（γ-ray）的路径。

宇宙线与星际物质（例如分子气体云）碰撞时，或与靠近加速器的星际电磁场相互作用时，都会产生伽马射线。这些伽马射线的能量为其前身宇宙线的十分之一左右，并且能不受磁场影响沿直线运动——直至被可能的观测器发现。因此，发现能发射能量超过0.1PeV伽马射线的位置是该区域存在PeVatron的有力证据。本文作者便利用中国四川省的LHAASO（图1）发现了12个这样的位置，这几乎是迄今已发现PeVatron候选体数量的两倍。

图1 | 位于中国四川省的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）。LHAASO合作组[1]利用LHAASO探测到了银河系最高能粒子天体物理加速器的12个候选体产生的伽马射线。来源：Liu Kun/Xinhua/Alamy

根据宇宙线加速的标准模型，这些粒子在超新星爆炸遗迹中会被快速运动的激波扫过。与激波相关的磁场的不均匀性导致粒子在激波之间来回反射——这个过程会让粒子加速，也被称为扩散激波加速（diffusive shock acceleration）。然而，粒子能否在加速区停留足够长的时间以达到PeV能量并非显而易见。此外，截至目前只有一个PeVatron候选体被认为可能与超新星遗迹有关[4,5]。

其他天体也可能将宇宙线加速到PeV能量。2016年，高能立体视野望远镜阵（HESS）合作组使用其位于纳米比亚的望远镜，探测到了来自银河系中心的伽马射线[6]。这些伽马射线被看作是与银河系中心超大质量黑洞既往活动相关的PeV宇宙线的示踪。并且，自2019年以来，全球多台望远镜都已探测到能量接近或超过0.1PeV的伽马射线，这些伽马射线来自银河系的脉冲星（高度磁化且快速旋转的致密恒星）附近或是恒星形成区附近[7-12]。

之前从未探测到像LHAASO这次所观测到如此高的能量。LHAASO最终建成后将包含三个探测系统，分别是水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列和平方公里阵列。这篇论文中，作者利用半建成的平方公里阵列不到一年的观测数据，确定了12个PeVatron候选体。LHAASO的完工以及更多数据的获得将进一步提高观测灵敏度，为PeVatron候选体产生的超高能伽马射线的发现提供更多信心。

对于此次发现的其中一个候选体，作者探测到了来自天鹅座方向、能量高达1.4PeV的伽马射线。这一发现势必引起研究人员的巨大关注，也将成为LHAASO合作组内部和外部科学家的严密探究对象。有趣的是，西藏ASγ合作组[12]和高海拔水体切伦科夫天文台（HAWC）合作组[13]也都发现了该区域发射的能量超过0.1PeV的伽马射线。HAWC合作组研究了该区域的面亮度，并认为该伽马射线与天鹅座OB2星团有关——那里的高能星风会产生强大的激波，可能会将粒子加速到PeV能量。未来，LHAASO合作组也能开展类似研究，以确定星团中宇宙线加速的最大功率。

新望远镜将在未来几年内投用，其他望远镜也已进入筹备阶段。地面天文台切伦科夫望远镜阵（CTA）[14]是由一个跨国团队在智利和西班牙加那利群岛运行的一组望远镜。另一组天体物理学家计划在南美洲建造南方大视场伽玛射线天文台（SWGO）[15]。凭借其广阔的视场，该装置非常适合观测南半球广阔的天空，还具有观测银河系中心的绝佳视野。这些下一代探测器将用于寻找PeVatron和其他极端乃至出乎意料的结构，让我们进一步认识宇宙中物质和能量的性质以及输运过程。

参考文献：

1. LHAASO Collaboration. Nature 594, 33–36 (2021).

2. Hess, V. F. Phys. Z. 13, 1084–1091 (1912). English translation at https://arxiv.org/abs/1808.02927.

3. Clay, J. Proc. R. Acad. Sci. Amsterdam 30, 1115–1127 (1927).

4. HAWC Collaboration. Astrophys. J. Lett. 896, L29 (2020).

5. Tibet ASγ Collaboration. Nature Astron. 5, 460–464 (2021).

6. HESS Collaboration. Nature 531, 476–479 (2016).

7. Tibet ASγ Collaboration. Phys. Rev. Lett. 123, 051101 (2019).

8. HAWC Collaboration. Phys. Rev. Lett. 124, 021102 (2020).

9. MAGIC Collaboration. Astron. Astrophys. 635, A158 (2020).

10. HAWC Collaboration. Astrophys. J. Lett. 907, L30 (2021).

11. HAWC Collaboration. Astrophys. J. 911, L27 (2021).

12. Tibet ASγ Collaboration. Phys. Rev. Lett. 126, 141101 (2021).

13. HAWC Collaboration. Nature Astron. 5, 465–471 (2021).

14. Williams, D. et al. Bull. Am. Astron. Soc. 51, 291 (2019).

15. Huentemeyer, P. et al. Bull. Am. Astron. Soc. 51, 109 (2019).

原文以Hunting the strongest accelerators in our Galaxy标题发表在2021年6月2日的《自然》的新闻与观点版块上

© nature

doi: 10.1038/d41586-021-01377-1

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