位于海拔4400米的稻城，我國“高海拔宇宙線觀測站”有哪些重磅發(fā)現(xiàn)？

我是中科院高能物理研究所副研究員李哲，從事粒子天體物理的研究工作，整天和來自宇宙的射線打交道。

我國大科學(xué)裝置“高海拔宇宙線觀測站”（LHAASO，“拉索”）位于四川省稻城縣海子山上，這里的平均海拔約4410米，它是世界上海拔最高的宇宙射線探測陣列，也是我工作所依賴的設(shè)備。

這個“科學(xué)重器”的策劃太及時了！就在前幾天，我們拉索觀測站成果新聞發(fā)布會在北京召開，會上公布了兩項重磅發(fā)現(xiàn)：

1、銀河系里那些由黑洞吸積驅(qū)動的微類星體，就像一個個超級粒子加速器，能把質(zhì)子加速到極高的能量——拍電子伏級別。

2、宇宙線質(zhì)子能譜上叫“膝”的區(qū)域，出現(xiàn)了比預(yù)想更強的高能成分，而黑洞正是最有可能的“幕后推手”。

這些結(jié)果不僅讓我們離解開宇宙線起源之謎更近了一步，也為研究黑洞系統(tǒng)的極端物理現(xiàn)象打開了一扇新窗口。

高不成低不就，4400米剛剛好

大家可以把宇宙想象成一個巨大的“戰(zhàn)場”，每時每刻都有無數(shù)高能粒子像炮彈一樣，從宇宙的各個角落轟向地球。這些炮彈，科學(xué)家給它們起了個名字，叫做 “宇宙線” ，或者更準確地叫 “宇宙高能粒子”。

劉慈欣《三體》小說描繪有一種叫“光粒”的東西，它是宇宙高等文明使用一種打擊對方恒星的武器。根據(jù)小說描繪的使用情況，感覺光粒并非是光子，而更像是一種近光速運動的有質(zhì)量粒子，目前人類已找到兩顆超高能粒子，劉慈欣或許正是借鑒了現(xiàn)實中的宇宙線的概念。

我們的目標就是捕捉這些“宇宙炮彈”，研究它們，從而揭開宇宙的奧秘。但問題是，這些“炮彈”一旦撞上地球的大氣層，就會跟空氣中的原子核“擦出火花”，產(chǎn)生一場盛大的“次級煙花雨”——這就是 “廣延大氣簇射（Extensive air shower, EAS）”。

廣延大氣簇射是指當能量極高的原初宇宙線粒子撞擊地球大氣層頂部時，會與大氣中的原子核（如氮、氧）發(fā)生相互作用，產(chǎn)生大量的次級粒子（如π介子、K介子等）。這些次級粒子又迅速衰變或繼續(xù)相互作用，產(chǎn)生更多的粒子，如μ子、電子、光子和中微子。這個過程像一場粒子“雪崩”，形成一個以光速向前傳播、覆蓋數(shù)平方公里范圍的粒子盤，這就是“廣延大氣簇射”。

我們的探測器無法直接到太空中去捕捉原初宇宙線（雖然衛(wèi)星實驗也在做，但受限于有效載荷和探測面積，只能探測能量較低的部分），因此，在地面上間接探測其產(chǎn)生的次級粒子，是研究極高能量宇宙線的主要手段。

將探測器建于高海拔地區(qū)，在物理上最根本的原因之一就是靠近簇射極大值，以獲取最豐富的粒子信息。廣延大氣簇射的發(fā)展是一個動態(tài)過程：粒子數(shù)隨著大氣深度增加而迅速增長，達到一個峰值，這個點稱為 “簇射極大值”，越過極大值后，由于能量損失和吸收，粒子數(shù)開始指數(shù)衰減。

對于LHAASO主要探測的TeV-PeV能區(qū)的伽馬光子和宇宙線，在4400米的高海拔，探測器正好位于或非常接近許多重要簇射的極大值區(qū)域。在此處，次級粒子的通量達到最大，我們可以捕捉到最完整、最豐富的粒子信息樣本，意味著我們能夠更精確地重建原初粒子的性質(zhì)，比如能量、方向和成分。

LHAASO復(fù)合陣列

LHAASO陣列由平方公里的電磁粒子和繆子探測器陣列（KM2A）、水切倫科夫探測器陣列（WCDA）、廣角切倫科夫望遠鏡（WFCTA）組成，旨在研究宇宙線的起源、傳播和加速機制。

LHAASO在運行初期就發(fā)現(xiàn)了首批銀河系“拍電子伏特”宇宙加速器，開啟了超高能（能量大于百萬億電子伏特）伽馬天文窗口，為破解銀河系內(nèi)宇宙線加速源帶來了戰(zhàn)略性機遇，被美國列為了國際領(lǐng)先的伽馬射線和宇宙線研究領(lǐng)域的主導(dǎo)性實驗裝置。

LHAASO的獨特設(shè)計讓它成為尋找“拍電子伏特”加速源的“神器”，這一巨大的復(fù)合陣列覆蓋了大約1.3平方公里，它就像個全天候工作的"宇宙監(jiān)控攝像頭"，專門捕捉那些超高能宇宙線。

LHAASO的重磅發(fā)現(xiàn)

自從建成運行以來，我們拉索的新發(fā)現(xiàn)接連不斷！有科學(xué)家表示，這座位于高原之巔的觀測站產(chǎn)出重磅成果的速度堪比當年的日本神岡探測器。

1. 發(fā)現(xiàn)了12個“拍電子伏”超高能伽馬射線源！

這是個啥概念？“拍電子伏”是一個能量單位，1拍電子伏 = 1000萬億電子伏！這是什么水平？比地球上最大粒子對撞機——大型強子撞機（LHC）能產(chǎn)生的粒子最高能量還要高出100倍以上！

以前，科學(xué)家普遍認為，銀河系內(nèi)的天體，其加速粒子的能量極限就在1拍電子伏以下，被稱為 “拍電子伏截斷”。但LHAASO一上來，就一口氣發(fā)現(xiàn)了12個能量達到拍電子伏的光子，直接來自天鵝座、蟹狀星云等天體。

這意味著什么？這意味著，在我們銀河系里，就存在著天然的“拍電子伏粒子加速器”！它們加速粒子的效率，遠超人類建造的任何機器。這個發(fā)現(xiàn)，直接打破了傳統(tǒng)的“拍電子伏截斷”理論，開啟了 “超高能伽馬天文學(xué)”的新紀元。

當然，這還不是人類發(fā)現(xiàn)的最高能宇宙線。2021年，在美國猶他州沙漠中有一個叫“望遠鏡陣列項目”的宇宙線探測陣列探測到一顆超高能粒子，能量達到了240EeV（2.4萬億億電子伏特），這個能量是人類斥資百億美元建造的最強大加速器“大型強子對撞機”的一千萬倍！無獨有偶，1991年，科學(xué)家曾經(jīng)探測到一個能量甚至更高的粒子，達到了320EeV（3.2萬億億電子伏特），業(yè)內(nèi)稱之為“Oh-My-God particle”！這個名字似乎讓我們看到了科學(xué)家驚訝的樣子。

2. 記錄到了史上最亮的伽馬射線暴（GRB 221009A）的高能光子

2022年10月9日，一次極其明亮的伽馬射線暴被眾多望遠鏡捕捉到，它被戲稱為 “有史以來最亮”的伽馬射線暴（BOAT）。LHAASO成功地捕捉到了這次事件中能量高達10 TeV（萬億電子伏特）以上的光子。

這不僅再次證明了LHAASO極快的響應(yīng)速度和極高的靈敏度，更重要的是，這些高能光子攜帶著伽馬射線暴源頭（很可能是大質(zhì)量恒星坍縮成黑洞的瞬間）的極端物理過程信息，對理解宇宙中最劇烈的爆發(fā)現(xiàn)象具有里程碑式的意義。

3. 精確測量了“天鵝座”區(qū)域的超高能伽馬射線源

“天鵝座”是我們銀河系內(nèi)一個非常重要的恒星形成區(qū)。LHAASO以前所未有的精度，描繪出了這個區(qū)域超高能伽馬射線的分布圖。這就像我們第一次有了一張清晰的“藏寶圖”，上面標明了銀河系中這些超級加速器的具體位置和強度，為尋找宇宙線的具體起源地提供了至關(guān)重要的線索。

在問答開始，我們提到了“拉索”兩項最新科研成果，以及近期發(fā)表在《Physical Review Letters》上關(guān)于原初黑洞的研究。可以說，“拉索”正在不斷推開人類認知宇宙的窗口，持續(xù)帶來具有全球影響力的科學(xué)突破。

LHAASO不僅僅是一個觀測站，更像是一雙凝視宇宙最深處的“千里眼”。它捕捉到的每一個超高能光子，都在幫助我們拼出一幅更完整的宇宙極端物理圖像。這些發(fā)現(xiàn)或許不會很快變成手機里的某個應(yīng)用，但它們實實在在地拓展了人類對宇宙的認知邊界，成為一個國家長遠發(fā)展與科技創(chuàng)新的重要基石。

所以，當我們下次再聽到“稻城”、“拉索LHAASO”、“拍電子伏”這些詞時，心中涌起的應(yīng)該是一份自豪和敬畏。自豪于我們能在世界屋脊，做出引領(lǐng)世界的科研成果，敬畏于我們所在的這個宇宙，是如此的神奇、壯麗而又充滿未知。

本文轉(zhuǎn)載自《騰訊太空》微信公眾號

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