LHAASO開啓超高能伽馬天文學新時代_風聞

宇宙電磁輻射提供了人類仰望星空的最有效的天文窗口，它涵蓋了從射電、紅外、可見光、紫外、X射線到伽馬射線的高達二十多個量級的寬廣能量範圍。一般地，隨着光子能量升高，其輻射機制對應更加劇烈的天體活動以及更為極端的天體物理環境。伽馬射線踞於宇宙電磁輻射能譜的最高端，為人類研究極端條件下的高能物理過程及天體演化提供了探針。二十世紀末人類憑藉多個成像大氣切倫科夫望遠鏡實驗歷經十多年時間成功打開了甚高能段（VHE：1011-1014電子伏特）這一當時最高能量的天文窗口，獲得了豐碩的科學成果。超高能（UHE：>1014電子伏特）伽馬天文是迄今人類觀測宇宙的最後一個、也是最高能量的電磁輻射窗口，由於超高能伽馬射線數量極少而被淹沒在巨大的宇宙線背景中，對超高能伽馬射線的探測一直是人類面臨的一個巨大挑戰，成為未曾開墾的處女地。

國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”（總投資約12億元）於2017年11月開工，2019年底1/2規模的平方公里陣列（KM2A）建成並投入科學運行，不到一年的時間裏便以高顯著性觀測到12個超高能伽馬射線源，開啓了超高能伽馬天文這一人類觀測宇宙的最高能量電磁輻射窗口，相關科學成果於2021年5月17日以Detection of Ultra-high Energy Photons up to 1.4 PeV from 12 Gamma-ray Sources為題在《自然》（Nature）上正式發表。

超高能伽馬射線來自於比它能量更高的粒子，故可以用來示蹤這些高能粒子的起源、加速以及傳播機制，也即可以用來發現並研究宇宙高能粒子加速器，是破解高能宇宙線起源這一“世紀之謎”的金鑰匙。然而探測超高能伽馬射線非常困難，一個超高能伽馬射線探測器必須同時具備下面五個條件：

大面積：超高能伽馬射線非常稀少，一平方千米的面積上每天只能接收到一兩個，要捕捉它們需要在至少一平方千米的面積上佈下“天羅地網”；

強大的伽馬/背景區分能力：這些稀有的伽馬事例混雜在成千上萬倍的宇宙線背景中，探測器要具有火眼金睛，準確識別伽馬事例和宇宙線背景事例，才能夠大海撈針般從成千上萬的背景中準確挑出稀有的伽馬射線事例；

高海拔：探測超高能伽馬射線要到海拔4000-5000米的雪域高原，這裏空氣稀薄，呼吸困難，卻是探測超高能伽馬射線的最佳場所；

大視場：一雙火眼金睛只能看一部分天空，要有千萬雙盯住整個天空，不丟掉一個寶貴的事例；

全天候：這些火眼金睛不能眨，要日日夜夜風風雨雨中不眠不休，才能夠捕捉到所有的事例；

LHAASO站址平均海拔4410米，KM2A由品字形排布在1.36平方千米面積上的5195台電磁粒子探測器（ED）組成的陣列捕捉這些天外來客，總面積達4萬平米的1188台繆子探測器（MD）則負責從上萬個事例中準確挑出其中的一個伽馬事例，整個陣列可以全天候監視整個天空。探測超高能伽馬射線KM2A比歐洲在建的切倫科夫望遠鏡陣列（CTA）靈敏15倍。

一個嶄新的、尤其是最高能量的電磁輻射窗口的開啓，必將為人類帶來浩瀚宇宙的諸多新奇科學發現，引領人類去揭示新的物理規律。KM2A局部陣列不到一年時間的觀測便發現如此多的天體具有超高能輻射，其能譜並非像科學家此前預期的那樣由於缺乏加速超高能粒子的能力在高能端呈現明顯截斷，這對現有的理論模型提出了很強的挑戰；KM2A迄今觀測到的最高能量光子超過1 PeV（1015電子伏特），揭示了人類居住的銀河系中存在科學家長期尋找的PeV粒子加速器（PeVatron），人類從此找到了研究超高能粒子加速及輻射機制的天然實驗室；有趣的是，這個人類迄今所觀測到的最高能量的光子來自大名鼎鼎的天鵝座“繭殼”（Cocoon），長期以來科學家們相信它是一個超高能宇宙線源，但一直沒有找到確鑿的證據，這一PeV光子的發現為回答這一問題帶來了曙光，隨着統計量的增大，KM2A將很快給出關鍵證據。

LHAASO現在的科學發現只是超高能伽馬天文的冰山一角。2020年底3/4規模的LHAASO投入了科學運行，全陣列預計於2021年建成並投入科學運行。假以時日，LHAASO將憑藉其遠超現有水平的靈敏度向高能宇宙線起源這一“世紀之謎”發起衝擊，並開展相關的高能輻射、天體演化、暗物質分佈等前沿科學研究。

高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，2020/11）

KM2A測得的超高能伽馬源天圖（上）及銀道面局部放大圖（下）。 

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高海拔宇宙線觀測站及其核心科學目標

高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，位於四川省稻城縣海拔4410米的海子山，佔地面積約1.36平方公里，是由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列（簡稱KM2A）、78000平方米水切倫科夫探測器、18台廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的複合陣列。LHAASO採用這四種探測技術，可以全方位、多變量地測量宇宙線。

高海拔宇宙線觀測站的核心科學目標是：探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化和高能天體活動，並尋找暗物質；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線源，精確測量它們從低於1TeV（1萬億電子伏，也叫“太電子伏”）到超過1 PeV（1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”）的寬廣能量範圍內的能譜；測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線加速和傳播的規律，探索新物理前沿。

拍電子伏宇宙加速器和PeV光子

“拍電子伏宇宙加速器（PeVatron）”周圍產生的“超高能伽馬光子”信號非常弱，即便是天空最為明亮且被稱為“伽馬天文標準燭光”的蟹狀星雲，發射出來的能量超過1 PeV的光子在一年內落在一平方公里的面積上也就1到2個，而這1到2個光子還被淹沒在幾萬個通常的宇宙線事例之中。LHAASO的平方公里探測陣列內的1188個繆子探測器專門用於排除非光子信號，使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測器。藉助這前所未有的靈敏度，1/2規模的KM2A僅用了11個月就探測到並證認了來自蟹狀星雲的約1 PeV的伽馬光子。不僅如此，KM2A還在銀河系內發現了12個類似的源，他們都具有超高能光子輻射，其能譜穩定地延伸到PeV附近，其中探測到的伽馬光子的最高能量達到創紀錄的1.4 PeV。由此可見， LHAASO的此次科學成果在宇宙線起源的研究進程中具有里程碑意義。具體來説有以下三個方面的科學突破：

1）揭示了銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1 PeV的宇宙加速器。在這次觀測中，LHAASO所能夠有效觀測到的伽馬射線源中（觀測中超過5倍標準偏差的超出視為有效觀測），幾乎所有的輻射能譜都穩定延伸到幾百TeV且沒有明顯截斷，説明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過1 PeV。這突破了當前流行的理論模型所宣稱的銀河系宇宙線加速PeV能量極限。同時，LHAASO發現銀河系內大量存在PeV宇宙加速源，也向着解決宇宙線起源這一科學難題邁出了至關重要的一步。

2）開啓“超高能伽馬天文學”時代。1989年，亞利桑那州惠普爾天文台成功發現了首個具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體，標誌着“甚高能”伽馬射線天文學時代的開啓，在隨後的30年裏，已經發現超過兩百多個“甚高能”伽馬射線源。直到2019年,人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。出人意料的是，僅基於1/2規模的LHAASO不到1年的觀測數據，就將“超高能”伽馬射線源數量提升到了12個。

隨着LHAASO的建成和持續不斷的數據積累，可以預見這一最高能量的天文學研究將給我們展現一個充滿新奇現象的未知的“超高能宇宙”，為探索宇宙極端天體物理現象提供豐富的數據。由於宇宙大爆炸產生的背景輻射無所不在，它們會吸收高於1 PeV的伽馬射線。到了銀河系以外，即使產生了PeV伽馬射線，由於背景輻射光子的嚴重吸收，我們也接受不到這些PeV伽馬射線。LHAASO打開銀河系PeV輻射探測窗口，對於研究遙遠的宇宙也具有特殊意義。

3）能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現天鵝座區域和蟹狀星雲。PeV光子的探測是伽馬天文學的一座里程碑，承載着伽馬天文界的夢想，長期以來一直是伽馬天文發展的強大驅動力。事實上，上個世紀80年代伽馬天文學爆發式發展的一個重要動機就是挑戰PeV光子極限。天鵝座恆星形成區是銀河系在北天區最亮的區域，擁有多個大質量恆星星團，大質量恆星的壽命只有幾百萬年，因此星團內部充滿了恆星生生死死的劇烈活動，具有複雜的強激波環境，是理想的宇宙線加速場所，被稱為“粒子天體物理實驗室”。

LHAASO在天鵝座恆星形成區首次發現PeV伽馬光子，使得這個本來就備受關注的區域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區。這個區域將是LHAASO以及相關的多波段、多信使天文觀測設備關注的焦點，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。

歷史上對蟹狀星雲大量的觀測研究，使之成為幾乎唯一具有清楚輻射機制的標準伽馬射線源，跨越22個量級的光譜精確測量清楚地表明其電子加速器的標誌性特徵。然而，LHAASO測到的超高能光譜，特別是PeV能量的光子，嚴重挑戰了這個高能天體物理的“標準模型”，甚至於對更加基本的電子加速理論提出了挑戰。

技術創新

LHAASO開發了遠距時鐘同步技術，確保整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水平；在高速前端信號數字化、高速數據傳輸、大型計算集羣協助下滿足了多種觸發模式並行等尖端技術要求；首次大規模使用硅光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進探測技術，大大提高了伽馬射線測量的空間分辨率，達到了更低的探測閾能，使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面，都達到前所未有的水平。LHAASO也為開展大氣、環境、空間天氣等前沿交叉科學研究提供了重要實驗平台，併成為多邊國際合作共同開展高水平研究的科學基地。

中國的宇宙線研究發展歷程

中國的宇宙線實驗研究經歷了三個階段，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實驗室。高山實驗能夠充分利用大氣作為探測介質，在地面進行觀測，探測器規模可遠大於大氣層外的天基探測器。由於超高能量宇宙線數量稀少，這是唯一的觀測手段。1954年，中國第一個高山宇宙線實驗室在海拔3180米的雲南東川落雪山建成。1989年，在海拔4300米的西藏羊八井啓動了中日合作的宇宙線實驗；2000年，啓動中意ARGO實驗。

2009年，在北京香山科學會議上，曹臻研究員提出在高海拔地區建設大型複合探測陣列“高海拔宇宙線觀測站”的完整構想。LHAASO的主體工程於2017年開始建設，2019年4月完成1/4的規模建設並投入科學運行。2020年1月，LHAASO完成了1/2規模的建設並投入運行，同年12月完成3/4規模並投入運行。2021年，LHAASO陣列將全部建成，成為國際領先的超高能伽馬探測裝置，投入長期運行，從多個方面展開宇宙線起源的探索性研究。

來源：中國科學院高能物理研究所