天鹅座又来信了，这次说的是一个泡泡的故事
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2021年5月，我国的高海拔宇宙线观测站（LHAASO，简称“拉索”）隆重发布了第一封“天鹅座来信“（以下简称《天鹅座来信1》），讲述了能量刷新人类纪录、高达千万亿电子伏伽马光子背后的故事，带来了开启“超高能伽马天文学新时代”的惊喜（点击回顾）。今年，天鹅座又“来信”了。
2024年2月26日，“拉索”国际合作组在中国的《科学通报》上以封面文章发布了从天鹅座传来的重磅新消息（以下简称《天鹅座来信2》）：
科学家在这里“看”到了一个巨型泡泡，这不是肥皂泡，而是肉眼看不见的超高能伽马光子泡。并且在泡泡中心找到了发射伽马光子的“老窝”，他们欣喜地称之为“超级宇宙线加速器”。
请搬好小板凳，听我给各位看官唠一唠天鹅座与“拉索”的故事。
第一回：
天然的粒子物理实验室——天鹅座
在离太阳系4000~5000光年外，银河系里有个星区叫天鹅座，这可是个直径超千光年的巨无霸天鹅，标志就是夏夜天空中比较亮的北十字星。
北天区显眼的北十字星，天鹅座（Cygnus）
（图片来源：veer图库）
在那儿，聚集着许多大质量恒星团，太阳这般大小的恒星都排不上号。强弓易折，质量大就死得快，大质量恒星死去时的超新星爆发会形成星际云，那就是新一代恒星的摇篮。所以天鹅座也是个比较年轻的恒星孕育区域。在恒星的生死交替间，剧烈的星风（比太阳风剧烈多了）在喷射各种粒子，整个区域里还聚集着尘埃、星云以及各种星团，结构复杂，天体活动异常活跃，天鹅座因此被称为“天然的粒子天体物理实验室”。
第二回：
宇宙信使——宇宙线
宇宙线是来自宇宙空间的高能量带电粒子，这些粒子携带着发出它的天体源的信息。
人们意识到宇宙线的存在，还是上个世纪初的事。
1912年，维克托·赫斯就职于奥地利科学院的镭研究所，从事放射性相关研究。他为了得出“是否是地面岩石的放射性导致空气电离”的答案，乘坐热气球做了多次飞行实验。结果出乎预期，他发现了来自高空的未知射线，他在论文中称之为“宇宙辐射（cosmic radiation）”。
十多年后，已经因为油滴实验测量元电荷量而获得1923年诺奖的罗伯特·密立根，注意到赫斯的发现，他通过水下探测实验验证了确实有“天外来客”，并将这种射线正式命名为“宇宙线”（cosmic ray）。
宇宙线的发现引发了一大批新粒子的发现，比如第一个反粒子：正电子，粒子物理学盛宴开启（不过现在的粒子物理研究主要靠人造加速器，不能光靠天吃饭啊）。赫斯也因为发现宇宙线的贡献被授予1936年诺奖。（点这里了解宇宙线的探索历史）
赫斯和他的伙伴们准备第七次高空实验
发现宇宙线一百多年以来，人类对宇宙线的研究伴随着粒子物理和高能天体物理的发展，达成一些基本认识。比如宇宙线的能量差别很大，见下图：
宇宙线能谱及其“膝”、“踝”结构，越接近“踝”，能量就越高（图片来源：中国科学院高能物理研究所 ）
在上图中，你有没有发现两个明显的拐点？宇宙线的能谱在千万亿电子伏（1015）附近突然就拐下来了，在百亿亿电子伏（1018）附近又翘起来，科学家幽默地称之为宇宙线能谱的“膝”和“踝”。为什么会出现这种现象，我们还不得而知。
目前科学家普遍推测，“膝关节”以上能量较低的宇宙线应该来自于银河系内，那些“踝关节”以下更高能量的应该来自河外。
宇宙线就像信使，给我们带来宇宙深处的各种信息。我们想知道，这些信息是从哪儿发出的，具体内容是什么，信使一路上都经历了什么，为什么会形成“膝”和“踝”？那么，怎么知道信是从哪儿发出的呢？
宇宙线中约90%是质子，就是H2O里面那个氢原子核。由于带电粒子在星际磁场中会发生偏转，所以我们即使探测到了这些粒子的方向，也无法判定它自何方来。但天无绝人之路，这些带电粒子与天体源附近的粒子碰上，会留下踪迹，产生一些次级粒子，如光子和中微子，它们不带电，那我们观测到这些粒子就能追踪溯源，就能摸到这些宇宙线的“老窝”了。
宇宙线在星际空间传到地球的示意图
说起来似乎很容易，但是探测宇宙线真的太难了，“高能宇宙线起源”甚至被列为了世纪之谜。
下一回，“拉索”该出场了。
第三回：
地上的宇宙线观测利器——“拉索“
要研究宇宙线，我们得先捞到宇宙线粒子。前面讲过，带电的粒子在星际磁场中会偏转，即使“捕捞”到也找不到源头，那我们就抓那些不带电的次级粒子，捞多些光子和中微子好好研究下。
但是中微子可不好抓。它相当轻，不带电，只参与弱相互作用，宇宙对它几乎是透明的，号称“宇宙隐形人”，因此非常不容易被探测到。因此要想抓到这些“隐形人”，需要一些特殊环境，比如在特别深的矿洞或极深的水下冰下，造大规模的探测器阵才有可能。（中微子的性质可点这里复习）
日本那位患小儿麻痹的差生传奇人物，小柴昌俊，2002年因“对天体物理学的开拓性贡献，特别是宇宙中微子探测方面”获得诺奖，主要是由于他领导的神冈实验（位于地下千米的废弃矿洞里）于1987年首次观测到了超新星爆发的中微子，超新星爆发的中微子能量在几十个兆电子伏范围。2013年，在南极的“冰立方”实验在冰下近2千米的地方布下天罗地网捕捉到了万亿电子伏以上的高能中微子。
南极冰立方实验室与冰下探测器的视觉效果图（图片来源：https://icecube.wisc.edu/gallery/）
而想要在地球上捕捉来自宇宙深处能量更高而数量更少的中微子，需要建立超大型的探测器。比如中国科学家们提出在贝加尔湖或南海建立探测百万亿电子伏以上的高能中微子望远镜。目前在世界各地的湖海深处，下一代的高能中微子望远镜正在紧锣密鼓建设中。
相比中微子，光子就比较好抓了。光子跟我们的日常生活密切相关，根据光子的能量从低到高被划分为无线电波、微波、红外线、可见光、紫外光、X射线和伽马射线，伽马射线就是能量最高段的伽马光子。我们可以发射探测器到太空直接测量来自宇宙的高能光子，比如“慧眼“卫星，就是专门捕捉X射线的空间探测器。但太空中可捕捞的光子数量有限，探测器造价还挺贵。那么在地面上能不能探测？
在轨运行6年多的硬X射线调制望远镜卫星，昵称“慧眼”（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
由于高能光子进入大气层会撞击到空气中的粒子，会产生很多次级粒子，被称为大气簇射，英文名字为Air shower，直译为空气淋浴，其实挺形象，一颗光子进来会引发一场粒子淋浴，在地面上能够捕捉到的是宇宙线引发的次级粒子。因此，我们在地面上打造很多装备，打捞并且分辨哪些是来自宇宙线的高能伽马光子，也是探索宇宙来信的必要手段。
而拉索，就是负责打捞这些光子的利器。
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八卦下“拉索”的中英文名字，少见的不是中英文一一对应。
LHAASO 是Large High Altitude Air Shower Observatory的英文首字母缩写，中文简称“拉索”。与英文对应的中文名字是“大型高海拔空气簇射观测站“，项目申报立项时，还被“嫌弃”这个中文名字太专业了，最终精简为高海拔宇宙线观测站。英文为啥没有对应修改？其一是LHAASO的英文名已经扬名海外了，另外英文简写的发音“拉索”在藏语寓意“哦也，好啊”，而“拉索”正是建在藏区（四川稻城海子山上），多好的寓意。
第四回：
《天鹅座来信2》讲了什么？
在《天鹅座来信1》里，拉索观测到了来自天鹅座、能量超过千万亿电子伏特的伽马光子，这也让天文学家们兴奋不已，因为这打破了银河系内宇宙线到不了“膝”下的认知!
2021年5月，《天鹅座来信1》---拉索发布的重大成果（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
在此后的2年多里，“拉索”继续观测到大量来自天鹅座的伽马光子，逐渐“看清楚”在天鹅座有一个巨型的伽马光子泡。要注意的是，这个泡泡咱用眼睛看不到，科学家们经过复杂的数据分析才合成出这个巨型泡泡图像。
这个大泡泡有多大？直径一千光年左右。一千光年是什么概念？太阳系的几百倍吧，奥尔特云包裹着整个太阳系，直径也就2光年左右！
看到这个泡泡，科学家们非常兴奋，按照现有的模型，宇宙线在天体源附近的扩散要比在星际空间慢很多，才可能形成这样一个巨型的高能伽马光子泡泡。但具体形成原因是什么，还有待科学家们更多考证和研究。
《天鹅座来信2》---拉索发布的重大成果图之一
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
经过科学家们的数据分析，最终呈现给我们天鹅座里的这幅泡泡图：很魔幻，一个有复合结构的巨型泡泡。图中不同颜色的点代表不同能量伽马光子，400万亿电子伏以上的伽马光子有70个，千万亿电子伏以上的伽马光子有8个。
且慢，下面才是剧情的高潮：拉索团队经过一年多的物理分析，考虑多方面的因素，各种理论计算，这个泡泡的内部结构跟天鹅座的独特星团、星际尘及气体云的复杂结构密切相关。而且在这个千光年直径的泡泡中心定位出一个数十光年大小的区域，认证这个有数十颗大质量恒星的天鹅座星协OB2，在源源不断地发射出超高能宇宙线，他们称之为：“超级宇宙线加速器”，并且做了多方面计算演练，看看什么条件下能加速出亿亿电子伏这么高能量的宇宙线。
这个位置怎么划定的？过程很复杂，举个不太恰当的例子，绑匪片里面经常通过延长足够的通话时间来锁定坏人的具体位置，我们要确定天鹅座的准确来信，也需要接受到足够多的宇宙信使，经过一定的技术分析处理，才能锁定发信的具体位置。
这个人类首次发现的超级宇宙线加速器有多厉害呢？地球上最大的加速器，欧洲核子中心的LHC，可以将质子加速到几万亿电子伏，这次拉索收到PeV光子有8个，按照理论能产生PeV光子至少需要10倍能量的宇宙线粒子（亿亿电子伏），这是人造加速粒子的上万倍，OMG！
在这个天鹅座OB2里面，超大质量的恒星有几十颗，它们的质量大概是太阳的几十倍，体积数万倍。科学家们计算，这样规模的恒星可以吹出1000千米每秒的星风。最高速的台风几十米每秒，最快的炮弹也不过几千米每秒，这些超级星风撞在一起，远超人造加速器的能量，确实可以撞出亿亿电子伏的超级宇宙“炮弹”来，对，天鹅座的来信就是这些“炮弹”送来的。
说到这里，有人会问了：
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万一我被这么高能量的超级宇宙炮弹击中，
会怎样？
放轻松！首先这么高能量的宇宙炮弹能来到地球的几率已经很小很小，“拉索”铺在雪域高原两千多亩的大网，守株待兔捞了两年多也没捞多少啊。其次，我们有大气层保护，即使个别超高能量的光子抵达，早已“随风潜入空气”中。这也是拉索为啥要建在在高海拔的无人区的主要原因。最后，高能伽马光子这种我们看不到的基本粒子能量即使是亿亿电子伏，换算成我们熟悉的焦耳，也不过0.00016焦耳，只够维持极小的电子器件工作一瞬间，放心，毫无伤害。
在遥远的天鹅座区域，人类首次认证到一个可以加速亿亿电子伏这么高能量的宇宙线天体源，确实令人兴奋，但还不能说已经揭开高能宇宙线起源这个世纪之谜，只能算敲门打个招呼：“嗨，世纪之谜，我来了”。未来，“拉索”联合大型高能中微子望远镜，以及众多空间探测器等，集全人类之文明，有望解锁 “高能宇宙线起源”这个世纪之谜。
到此，《天鹅座来信2》这个故事可以暂告一段，但“拉索”和更多宇宙线的故事值得期待。
结语
中国高山宇宙线实验的发展
（图片来源：中国科学院高能物理研究所）
“拉索”的多项关键技术都是自主研发或者是技术的首次应用，如时钟同步的小白兔技术被纳入国际标准，与企业合作产学研一体自主研发的20英寸的大面积光电倍增管几个关键指标刷新纪录，如首次将硅光电倍增器照相技术应用到切伦科夫望远镜上，成倍的延长了观测时间等等。
胖子都不是一口吃成的，何况一个基础科学领域的世界领先，来之不易。背后已有七十年三代人的步步苦干，高海拔地区的艰苦，生存的极限条件，不仅挑战人，也在挑战各项技术。哪有随随便便的突破，背后的立志高远和数代人的努力步步为营，为参与“拉索”的科研人员、工程建设人员和其背后的各单位各企业点赞（点这里看他们的建设故事 ）！
脚踏实地，仰望星空。我们对整个宇宙的认识还很浅薄，人类何时才能清晰地描绘宇宙？正在爆发的人工智能能否加速这个进程？期待《天鹅座来信》3和更多的宇宙来信！
非常感谢拉索团队的何会海老师对本文反复几次的审改，帮我理清很多科学细节，受益匪浅。感谢各位听我絮叨，个人表达能力有限，如有不当之处请指正。
作者简介
花明，理论物理博士，科普菜鸟，潜伏单位：IHEP, CAS。
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