LHAASO观测揭示银河系中超高能宇宙线起源

宇宙线是星际空间中的相对论性粒子，它贡献了星际介质1/4的能量密度，调控了星际化学和恒星形成过程，同时也是暗物质间接观测的重要媒介。但是自宇宙线100多年前被发现以来，其起源一直成谜。日前，中国科学技术大学近代物理系，天文学系以及核探测与核电子学国家重点实验室参与的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）实验在银河系中发现了12个能把宇宙线加速到1千万亿电子伏特（10^15 eV, PeV）以上的加速源，从而为宇宙线起源这一问题的解决带来了突破性的进展。文章结果以“Detection of Ultra-high Energy Photons up to 1.4 PeV from 12 Gamma-ray Sources”为题发表于综合学术期刊《自然》（Nature）。

在宇宙线起源的研究方面，国内外学者提出了多种观点和假说。一般认为，一千万亿电子伏特甚至一百亿亿电子伏特以下能量的宇宙线都应该在银河系内被加速，而超新星遗迹（supernova remnants）被认为是最可能的一类加速源。但是最新的伽马射线观测以及理论计算表明，已知的超新星遗迹似乎并不能把宇宙线加速到这么高的能量。因此，寻找PeV宇宙线加速源（PeVatron）就成了宇宙线起源研究中的核心问题。另一方面，宇宙线与星际介质中其他成分的相互作用会产生地球上可观测的伽马射线光子。通过研究伽马射线源的能谱和空间形态就有可能认证PeV宇宙线加速源。

LHAASO阵列由于其对超高能伽马射线前所未有的灵敏度，成为研究这个问题的理想工具。尽管还没有完全完成建设，但一半LHAASO阵列在11个月的观测后已经在银盘上观测到了12个在一百万亿电子伏特以上具有7倍标准偏差以上置信度的超高能伽马射线源(见下图)。如此高能量的伽马射线只可能由PeV能量以上宇宙线质子或电子与星际介质相互作用而产生。这位PeVatron在银河系中的大量存在提供了直接的证据。同时，这也是人类首次在超高能伽马射线能段探测到如此多的天体，打开了超高能伽马射线天文学的新窗口。

随着LHAASO阵列的建设完成和持续曝光，这些源的空间形态和能谱信息将得到更精准的测量，同时结合多波段多信使的协同观测 （LHAASO观测到的其中一个源LHAASO J1908+0621的多波段研究的例子如下图），我们将继续推进对这些宇宙线源中的宇宙线辐射机制和加速过程的研究，从而继续推动对宇宙线起源这一基础科学问题的理解。

我校物理学院近代物理系与核探测与核电子学国家重点实验室李澄、唐泽波、江琨团队在LHAASO实验中负责WCDA和KM2A阵列缪子探测器核心部件——大尺寸光敏探头的研制，安琪、赵雷、曹喆团队负责WCDA阵列的大尺寸光敏探头读出电子学系统的设计、制造和安装，天文学系的杨睿智参与了数据分析工作，主持了多波段数据的收集和对观测数据的理论解释工作，并且是论文的通讯作者之一。

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