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Video1 高海拔宇宙线观测站（LHAASO）航拍视频
导 语
宇宙线是星际介质中的高能带电粒子。它贡献了星际介质中三分之一的能量密度，是暗物质间接观测的主要媒介，调控着恒星形成和星际化学反应过程，与宇宙天体演化、生命起源等最基本问题紧密相关。然而，宇宙线的起源至今仍是个谜团。我国最新运行的大科学装置“高海拔宇宙线观测站”（LHAASO）打开了超高能伽马射线的天文观测新窗口，有望在宇宙线起源领域取得国际领先突破。
图1 图文摘要
宇宙线被发现已超100年，然而其起源至今尚未确定。目前主流观点认为，1015（一千万亿）电子伏特（PeV）以下能量的宇宙线是由银河系内的天体加速的。值得一提的是，这些天体加速器的加速能力超过地球上人类制造的最强大的粒子加速器一百倍。寻找银河系内这一类强大的粒子加速器是当前高能天体物理和宇宙线相关研究中的核心问题。由于大部分宇宙线粒子带电，它的传播轨迹会在星际磁场中发生偏转。因此，地球上直接测量的宇宙线不能提供宇宙线起源的信息。伽马射线是一种宇宙线与星际介质相互作用的次级产物，作为一种高能光子，它不带电而在星际空间中直线传播，可以带给我们关于宇宙线起源的有用信息。而PeV宇宙线与星际介质气体相互作用产生的次级伽马光子的能量大概在100 TeV (1014电子伏特)，达到了“超高能伽马射线”的能段。
伽马射线天文已发展数十年，一系列地面阵列实验已在甚高能（TeV，1012电子伏特）能段取得了丰硕的成果。但现有仪器对超高能伽马射线能段的探测能力依然有限。在这个能段，伽马射线的流量很小，同时对于地面阵列来说，仪器的宇宙线背景噪音要显著大于伽马射线信号。因此，要在这个能段实现有效的观测，大收集面积和高背景排除效率两者缺一不可。
我国国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”，面积超过1平方公里；同时，由于装备了迄今为止世界上最大规模的缪子探测器（超过1000个）阵列，拥有目前最强大的粒子鉴别能力，从而可以有效地排除宇宙线背景。基于这两方面的显著优势，LHAASO在100 TeV以上能段的伽马射线探测灵敏度上，比国际上现有的所有仪器都要高一个数量级以上。
采用边建设边观测的策略，在2021年8月全面建成之前，LHAASO就已经取得了一系列高质量的科学数据。利用一半阵列11个月的数据，LHAASO已经在100 TeV以上探测到了12个显著性超过7倍标准误差的伽马射线源，从而成功打开了超高能伽马射线天文观测的窗口。相关结果于2021年5月发表在Nature杂志上。其中探测到的最高能量的光子来自于银盘（也就是我们肉眼所见的“银河”）上的天鹅座区域，其能量达到了1.4 PeV。这表明银盘上的确存在能把粒子加速到PeV以上的强大加速源，为寻找银河系内强大的粒子加速器指明了方向。
总结与展望
然而，目前尚不能确定这些超高能伽马射线源的对应天体；这是因为银盘是相当复杂的区域，在每个伽马射线源附近存在着多个可能加速宇宙线的候选天体，如超新星遗迹、脉冲星等。因此，我们需要进一步多波段观测数据对这些伽马射线源的辐射机制以及宇宙线的注入和传播过程进行研究。在这一领域，我国的“银河画卷”巡天和“中国天眼”FAST射电望远镜能提供精细的星际介质分布，从而发挥重大作用。我们期待中国大科学装置的默契配合，来攻克“宇宙线”起源等重大科学问题。
责任编辑
吴富根 东南大学
张登峰 中国科学院昆明动物研究所
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原文链接：https://www.cell.com/the-innovation/fulltext/S2666-6758(22)00056-X
本文内容来自Cell Press合作期刊The Innovation第三卷第四期以Commentary发表的“LHAASO and the galactic cosmic rays” (投稿: 2022-03-26；接收: 2022-04-13；在线刊出: 2022-05-12)。
DOI: https://doi.org/10.1016/j.xinn.2022.100260
引用格式：Yang R. (2022). LHAASO and the galactic cosmic rays. The Innovation. 3(4),100260.
作者简介
杨睿智，中国科学技术大学物理学院天文学系教授，博士生导师。国家创新人才计划青年项目入选者。2007年本科毕业于中国科学技术大学近代物理系，2013年在中国科学院紫金山天文台获得天体物理博士学位。其后在德国马克思普朗克核物理研究所从事博士后研究。2019年全职回到中国科学技术大学天文学系。研究方向为高能天体物理，宇宙线物理，暗物质间接观测。
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