LHAASO重要發(fā)現(xiàn)開啟“超高能γ天文學(xué)”時(shí)代

馬帥康 張子豪 高 啟,*

（1、西藏大學(xué)理學(xué)院，西藏 拉薩850000 2、宇宙線教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西藏 拉薩 850000）

1 概述

宇宙線自1912 年物理學(xué)家赫斯首次發(fā)現(xiàn)至今已超百年，其起源、加速和傳播仍是未解之謎。目前普遍認(rèn)為膝區(qū)以下的宇宙線起源于銀河系，但沒有發(fā)現(xiàn)直接證據(jù)。甚高能及以上γ 射線不受到星際磁場影響，能夠保留源方向的信息，因此通過甚高能及以上γ 射線尋找宇宙線加速證據(jù)是探尋宇宙線起源之謎的極佳手段。特別是能量高于0.1PeV的超高能(Ultrahighenergy，UHE) γ 射線，被認(rèn)為是尋找宇宙線起源的最直接手段[3]。

由于宇宙原初γ 射線能譜呈指數(shù)衰減且流強(qiáng)遠(yuǎn)低于宇宙線帶電粒子，0.1PeV 以上能區(qū)UHEγ 射線探測極其困難[2]。直到2019 年，中日合作ASγ 實(shí)驗(yàn)才宣布首次探測到來自蟹狀星云的超0.1PeV 高能γ 輻射，將UHE γ 射線觀測推進(jìn)到亞PeV 能區(qū)[3]。隨后ASγ、HAWC 相繼觀測 多 個(gè)天 體源超100TeVγ 輻射，最高能量達(dá)0.957PeV[5]。這些觀測結(jié)果初步表明PeV 宇宙線加速器在銀河系內(nèi)存在，但其觀測到的UHE γ 射線能量仍沒有突破PeV。2021 年5 月，LHAASO 實(shí)驗(yàn)組首次觀測到銀河系1.4PeVUHE γ 射線輻射，同時(shí)發(fā)現(xiàn)了12 個(gè)能量延伸到1PeV 附近的穩(wěn)定γ 射線源，相關(guān)研究結(jié)果于2021 年5月17 日發(fā)表在《Nature》期刊[1]。這一結(jié)果首次將HUE γ 射線推進(jìn)到PeV 能區(qū)，打開了探索極端宇宙奧秘的新窗口，開啟了“超高能γ天文學(xué)”的新時(shí)代。

筆者以此次UHE γ 射線觀測重大進(jìn)展為契機(jī)，向廣大讀者介紹LHAASO 實(shí)驗(yàn)裝置及其在甚高能以上γ天文領(lǐng)域主要探測目標(biāo)、探測原理，并對本次UHE γ 射線觀測結(jié)果的重要突破及意義做簡單解讀。

2 LHAASO 實(shí)驗(yàn)

LHAASO 是我國十三五規(guī)劃建設(shè)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目，也是我國《國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中長期規(guī)劃（2012-2030 年）》16 個(gè)優(yōu)先安排的重大項(xiàng)目之一[15]。主要目標(biāo)瞄準(zhǔn)宇宙線觀測研究前沿課題，探索高能宇宙線的起源之謎，并展開相關(guān)的天體演化和暗物質(zhì)分析等基礎(chǔ)科學(xué)研究[12]。

圖2 LHAAASO 局部天圖@＞100TeV 源自文獻(xiàn)[1]

LHAASO 實(shí)驗(yàn)由KM2A、WCDA 和WFCTA 三個(gè)陣列組成，其探測原理和探測器布局如圖1 所示[14]。KM2A 陣列由5195 個(gè)電磁探測器ED 和1171 個(gè)μ 子探測器MD 組成[14]，有效面積42,000m2，覆蓋能區(qū)0.1PeV-10PeV，主要探測對象為河內(nèi)γ 源。WCDA 分成3 個(gè)水池，包括3120 個(gè)單元探測器，有效面積78,000 m2，覆蓋能區(qū)0.1PeV-10PeV，主要巡天觀測E＞0.1PeV的γ 射線天空。WFCTA 陣列由18 臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組成，單元望遠(yuǎn)鏡視場16°×16°[11]。WFCTA 實(shí)驗(yàn)探測能區(qū)范圍為0.1PeV-100PeV，主要目標(biāo)是對原初宇宙線成分以及能譜的測量，同時(shí)完成從空間直接測量低能宇宙線到地面間接測量極高能宇宙線的能標(biāo)傳遞工作[10]。LHAASO 實(shí)驗(yàn)充分發(fā)揮高海拔優(yōu)勢，通過4 種探測器陣列的復(fù)合觀測，可以充分發(fā)揮多波段，多信使觀測優(yōu)勢，具有獨(dú)特的自我交叉標(biāo)定能力[13]。建成后可以實(shí)現(xiàn)對宇宙線EAS的立體性觀測，大幅度提高能量測量的精度和成份鑒別能力，在甚高能及以上能區(qū)γ 射線巡天普查靈敏度、宇宙線能譜覆蓋范圍、宇宙線成分識別的精確度方面達(dá)到國際領(lǐng)先水平[10]。

圖1 LHAASO 探測原理及探測器布局，源自文獻(xiàn)[1，10]

3 LHAASO 實(shí)驗(yàn)UHE γ 射線觀測結(jié)果及意義

LHAASO 實(shí)驗(yàn)采用邊建設(shè)邊觀測模式（可以提前進(jìn)入觀測狀態(tài)，提早產(chǎn)生科學(xué)成果），LHAASO 合作組科學(xué)家通過對建成的1/2 陣列KM2A 探測器2020 年內(nèi)11 個(gè)月的觀測數(shù)據(jù)[1]分析發(fā)現(xiàn)：

3.1 來自天鵝座內(nèi)恒星形成區(qū)附近和蟹狀星云超過1PeV UHE γ 光子輻射，最高能量超過1.4PeV。

3.2 發(fā)現(xiàn)12 個(gè)不同類型的穩(wěn)定UHE γ 輻射源，有效γ事例高于背景事例7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)偏差，源位置測量精度≤0.30。其中最亮的三個(gè)輻射源γ 能譜延伸到數(shù)百TeV 且沒有明顯截?cái)噗E象。

此次重大發(fā)現(xiàn)在探尋宇宙線起源的研究進(jìn)程中具有里程碑意義，其在于：

3.2.1 本次LHAASO重要發(fā)現(xiàn)，是在宇宙線研究歷史上首次觀測到能量超PeV的γ 輻射，直接將對γ 射線探測由甚高能升級到超高能段，開啟了PeV 超高能γ天文學(xué)的大門，為下一步尋找宇宙線起源、探索極端宇宙打開了一個(gè)嶄新的窗口[3]。

3.2.2 按照現(xiàn)有理論，銀河系宇宙線加速器能量存在上限，其產(chǎn)生γ 光子在0.1PeV 左右存在截?cái)?。此次LHAASO 觀測到的12 個(gè)不同類型UHE γ 源，其輻射能譜均延續(xù)到幾百TeV能量范圍。這一觀測結(jié)果一方面表明產(chǎn)生這些γ 射線的母粒子的能量將超過1PeV，打破了舊的宇宙線加速模型極限；另一方面也表明，宇宙中存普遍PeV 宇宙線加速源，向進(jìn)一步揭示宇宙線起源之謎邁出了至關(guān)重要的一步。

3.2.3 天鵝座區(qū)域是位于銀河系北部最亮的部分，其內(nèi)部擁有多個(gè)大質(zhì)量星團(tuán)，恒星演變活動(dòng)劇烈，具有的激波環(huán)境異常復(fù)雜，是產(chǎn)生高能宇宙線的理想場所。隨著天鵝座區(qū)域PeVγ 射線的發(fā)現(xiàn)，該區(qū)域?qū)蔀閷ふ襏HE γ 射線源的“寶藏”突破口，為多波段、多信使天文觀測設(shè)備所關(guān)注，有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口。而蟹狀星云被稱為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，作為目前唯一具有清晰輻射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)γ 源，對其跨越二十多個(gè)量級的精確光譜測量表明其具有明顯的電子加速特征。LHAASO 觀測到蟹狀星云PeVUHE γ 射線對現(xiàn)有電子加速理論形成新的重大挑戰(zhàn)。

結(jié)束語

LHAASO 1/2 陣列KM2A 探測器此次發(fā)現(xiàn)證明銀河系內(nèi)普遍存在PeV 宇宙線加速源，對現(xiàn)有宇宙線起源加速理論提出重大挑戰(zhàn)，開啟“超高能γ天文學(xué)”時(shí)代。籍由此發(fā)現(xiàn)，LHAASO 實(shí)驗(yàn)也成為唯一可以提供高統(tǒng)計(jì)性測量數(shù)據(jù)的UHEγ天文試驗(yàn)。建成后，LHASSO 將實(shí)現(xiàn)γ 射線高能端探測靈敏度最高、TeV能段巡天掃描搜索能力最強(qiáng)、覆蓋宇宙線能譜范圍最廣三個(gè)世界之最。在不久的將來，LHAASO 將成為繼Auger、IceCube、CTA之后第四個(gè)宇宙線研究中心，長期引領(lǐng)PeV 能段的粒子天體物理的研究。結(jié)合HERD、DAMPE，Ali-CPT 等空地探索設(shè)施，LHAASO 將在破解宇宙線起源之謎、探索暗物質(zhì)本質(zhì)等國際基礎(chǔ)研究前沿領(lǐng)域?qū)懴轮袊藵饽夭实囊还P，貢獻(xiàn)重要的“中國力量”。