封面深镜｜四川稻城亚丁上发现重要“天外来客”？中科院高能物理所专家深度解读

封面新闻记者 杨晨 视频记者 刘微 罗彬月 王秋萱 袁一瑗 欧阳晨雨 梁家旗 罗一致（实习）

宇宙无限，信使有痕。

作为来自外太空的唯一物质样品，宇宙线（又称宇宙射线）携带着关于宇宙起源和天体演化，包括宇宙深处爆炸突变、中子星碰撞以及宇宙早期活动等信息。

其是来自宇宙的高能粒子流的总称。这些来自宇宙空间的高能射线不断降落在地球，原初宇宙射线的粒子在穿过地球的“保护膜”大气层时，与大气原子核碰撞后又不断产生“子子孙孙”——次级粒子，在空中形成一阵“宇宙射线雨”。这也被称为广延大气簇射。

百年来，学界一直企图“捕捉”和研究这些“阵雨”，以了解光年外的世界：宇宙线是如何产生的，具体哪个地方发出的，为何会加速这么高的能量……在四川稻城亚丁平均海拔4500米的海子山上，国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”也在执行这样的任务。

在5月17日，中国科学院高能物理研究所、Springer Nature联合发布了LHAASO项目最新重大发现，突破了领域内传统认知，开启了一个新的时代。这些发现将于2021年5月17日发表在《Nature》（《自然》）。该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成。

发现了什么

最高达到1.4拍电子伏伽马光子

根据公布的信息，LHAASO项目在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到最高1.4拍电子伏特（ PeV）的伽马光子（拍=千万亿），这是人类观测到的最高能量光子。而这也打破了以往的理论认知。

宇宙线被称为宇宙“信使”，包括质子和各种原子核、还有少量的光子、中微子、电子等。“而宇宙线还包括一个重要的特点，就是能量非常高。”LHAASO项目首席科学家曹臻表示，人类建在日内瓦的大型质子碰撞加速器（LHC）产生的粒子，是目前人类可以产生的最高能量粒子。“而这次观测到的，能量是其100倍。”

也就是说，尽管这次观测积累的数据还很有限，但所有能被LHAASO观测到的源，它们都具有0.1拍电子伏特（ PeV）以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”。这表明银河系内遍布拍电子伏加速器，而LHC只能将粒子加速到0.01拍电子伏特（ PeV）。

科学家们发现了能量超过拍电子伏特（ PeV）的光子，来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区和蟹状星云，其位于天鹅座中心位置。还发现了12个稳定伽马射线源，能量一直延伸到1 拍电子伏特（ PeV）附近，这是位于LHAASO视场内银河系内最明亮的一批伽马射线源，测到的伽马光子信号高于周围背景7倍标准偏差以上，源的位置测量精度优于0.3°。

有何用处

促进加速器研究发展的同时也更好认识宇宙环境

“宇宙线大多都是由带电的原子核组成，但在银河系这个大磁场里，容易‘跑乱’。但幸好宇宙线内还有光子的存在，光是走直线的，我们探测到了光子就可以跟着它寻来时的路”曹臻表示，这样也许就能找到它的源头，找到能产生它的宇宙加速器。

据介绍，天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮区域，拥有多个具有大量大质量恒星的星团，大质量恒星的寿命只有百万年的量级（相比之下，地球的寿命已经是至少40亿年了），因此星团内部充满大量恒星生生死死的剧烈活动，具有复杂的强激波环境，是理想的宇宙线加速场所，被称为“粒子天体物理实验室”。

LHAASO在天鹅座恒星形成区首次发现PeV伽马光子，使得这个本来就备受关注的区域成为超高能宇宙线源的最佳候选者。

而历史上对蟹状星云大量的观测研究，使之成为几乎唯一具有清楚辐射机制的标准伽马射线源，而LHAASO测到的超高能光谱，特别是PeV能量的光子，严重挑战了这个高能天体物理的“标准模型”，甚至于对更加基本的电子加速理论提出了挑战。

“找到这个理想的宇宙线加速场所后，我们可以去研究其为何能产生这样高能量的粒子，向宇宙学习完善我们加速器的机制，促进高能物理的发展。”曹臻告诉记者，后期还要通过提高设备的空间分辨率，去更加准确定位光子来源。

此外，地球与银河系中心的距离是与天鹅座恒星形成区距离的3倍左右，研究这个区域的天体演化行为，其实就是对我们所居住的太阳系周边环境作更好的了解。“正好这些宇宙线带来了那个地方的信息，那我们可以借此去探究其在不同时间的行为，反过来看我们太阳系处于一个什么情况，对未来也可以作出一些判断。”曹臻表示。

有哪些突破

打破现有对银河系内粒子能量认识的理论

曹臻表示，在这次观测中，LHAASO所能够有效观测到的伽马射线源中（统计观测中通常要求5倍标准偏差的超出视为有效观测），几乎所有的天体都具有在0.1 拍电子伏特（PeV）以上的超高能辐射能谱，说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量超过了1 拍电子伏特（ PeV）。

以往理论上讲，能够观测到的伽马射线源的最高能量就在0.1拍电子伏特（PeV）附近，而此次观测到的最高达到了1.4拍电子伏特（PeV），是理论上限的10倍以上。

而银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”，过去预言的极限就在1拍电子伏附近，从而预言的伽马射线能谱在0.1 拍电子伏以上有“截断”现象。LHAASO的发现突破了这个“极限”，大多数源没有截断。

开启“超高能伽马天文学”时代

1989年，亚利桑那州惠普尔天文台的实验组成功发现了首个具有0.1 TeV以上伽马辐射的天体，标志着“甚高能”伽马射线天文学时代的开启，在随后的30年里，已经发现超过两百多个“甚高能”伽马射线源。直到2019年人类才探测到首个具有“超高能”伽马射线辐射的天体。出人意料的是，仅基于1/2规模的LHAASO不到1年的观测数据，就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。

随着LHAASO的建成和持续不断的数据积累，可以预见这一探索极端宇宙天体物理现象的最高能量天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知“超高能宇宙”。我们知道，由于宇宙大爆炸产生的背景辐射无所不在，它们会吸收高于1 拍电子伏特（ PeV）的伽马射线，当超出了银河系的范围，即使它们在那里产生出来，我们也接受不到，由此可见这个观测窗口的特殊意义。

同时，高能伽马射线的发现，也开启了一个全新的研究领域。“这个领域就叫做超高能伽马天文学。”曹臻表示，目前LHAASO探测器是世界上唯一一个能够稳定提供超高能伽马射线观测的装置，目前已经引起国际高度关注。

如今各国也表示出了合作的意向，希望能够中国加入到南半球的宇宙线探测计划中。“因为银河系的中心在南半球才能看到，星体密度比北半球高很多。”曹臻解释。

对银河系产生更新的“认知”

人们对宇宙的认识，经历了多个阶段。

“最开始，我们认为只有地球，但后来发现地球外有太阳系，然后有银河系。后来我们又认为银河系只是一个‘孤岛’，但再经过研究，发现有众多的‘银河系’，且相隔甚远。”曹臻表示，人们开始了解银河系时，认为银河系似乎很“规矩”，星体分布均匀，似乎没有任何“混乱”发生。

但随着认知加深，人类发现我们身处的太阳系，只是在银河系的边缘部分，而在银河系中心，天体活跃度剧烈。“不然也不会产生像我们如今发现的，这么高能量的粒子。”

曹臻认为，正是因为这些宇宙信使的发现，一步步丰富甚至颠覆了人类对外太空的认识。

对话LHAASO项目首席科学家曹臻：

星海浩瀚，深藏秘密无数，而宇宙线成为人类的一把重要的“钥匙”，去打开答案之门。但宇宙线的研究对于大多数人来说，颇为高深。此次的发现，包括一直以来宇宙线的研究与我们有哪些联系？甚至宇宙线本身对我们会不会造成影响？为此，记者采访了LHAASO项目首席科学家曹臻。

Q：像如今发现的这些超高能量宇宙射线“落”在地球上，对人类有没有危害？

A：没有。首先“撞”到人类的概率太低了。

像这次发现的“拍电子伏宇宙加速器（PeVatron）”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱，即便是被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云发射出来的能量超过1 PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个，而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中，非常稀少。

其次，我们的大气层虽然感觉看起来很“稀薄”，但高能量粒子穿透它时会撞到里面的分子和原子核等，能量会被分解掉。而且人类生活的环境大多处于海拔1000米-2000米范围内，我们被大气层保护得很好，这也是我们能够在地球上世代繁衍的原因。

Q：宇宙线的研究，于我们人类生活来说，有怎样的意义？

A：对未知的渴望促使我们继续去探索甚至学习宇宙深处的加速器，对宇宙和人类未来作更深入的解读。

最开始在日地空间里，有很多宇宙线被观测到。我们通过监测这些宇宙线的速度和变化来监测太阳的活动，比如日冕物质抛射。因为日冕物质抛射破坏了太阳风的流动，产生的干扰会影响到地球，甚至引发悲剧结果。

另外，形象来讲，地球就相当于一个大坝，太阳风粒子就如“洪水”。这些电磁粒子涌入地球磁场低轨时，生活在地球上的人类因为地磁场的保护很安全，但却会破坏在那里的通讯卫星。而这可能就会对地面上移动通信，即我们手机的使用等造成影响。

因此，我们在观测这些宇宙线的同时，其实也在注意和防范这些干扰和破坏。

Q：基于此次重大发现，接下来我们也将去探究其源头，宇宙加速器的机制，从而来发展我们自己的加速器，那对我们老百姓的实际生活有怎样的促进或者影响？

A：目前来说这些加速器并不能直接进入或作用于我们的生活。但根据其产生的原理，做成的小型“加速器”，有应用在我们现代医疗设备工业探伤装置等上，尤其在一些肿瘤治疗高端设备中我们常常可以看到。

在采访中，曹臻也提到了位于东莞的中国散裂中子源研究。记者查阅发现，去年，中科院高能物理研究所宣布该所东莞分部成功研制出我国首台具有完全自主知识产权的“加速器硼中子俘获治疗”（下称“BNCT”）实验装置，并且启动了首轮细胞实验和小动物实验，为开展临床试验做好了前期技术准备。

该装置的成功研制，将为我国肿瘤治疗带来技术革新，这也是中国散裂中子源相关技术催生的首个产业化项目。

Q：大型科学装置的研发建设，是否也会促进我国相关制造产业的发展？

A：大科学装置的建设对产业提升的影响也是显著的。因为科学装置的相关设备需要靠我们自己来发明。而且研究的领域高深，对设备的技术要求也高，我们不断提出需求，也会刺激相关产业作出技术更新和完善。

在LHAASO中，有一种名叫超大光敏面积微通道板光电倍增管的设备，原来在国际上只有日本公司能做，一台价格卖到了6万-7万。后来我们国家自主研发，南京一家公司就做出了突破，研制成功了该产品。市场上，日本同类产品的价钱一下子就跌到了2万。

在LHAASO项目中应用的设备，大部分都是我们自主研发制造的。

延伸阅读

揭秘此次发现重要“天外来客”的重要“功臣”LHAASO究竟为何物？

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列（简称KM2A）、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成复合阵列，采用四种探测技术全方位、多变量测量宇宙线，占地面积约1.36平方公里。

高海拔宇宙线观测站的核心科学目标就是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源，精确测量它们从低于1TeV（1万亿电子伏，也叫“太电子伏”）到超过1 PeV（1000万亿电子伏，也叫“拍电子伏”）宽广能量范围内的能谱，测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱，揭示宇宙线产生、加速和传播的规律，探索新物理前沿。

LHAASO项目为何落户在海子山？项目首席科学家曹臻表示，宇宙线粒子穿越大气层时容易被吸收，越是在海拔高、空气稀薄的地方设置探测器，其捕捉的灵敏度更高，接受到宇宙线粒子信号的可能性越大。

海子山平均海拔4410米，地势较为平坦。而且后勤基地可以建在离稻城县城约五十多公里的地方，比较方便。而且有稳定的电力、通讯和水源条件，方便科研人员的生活和工作。10公里外就有一个机场，对外交通条件也有保障。

自2017年破土动工后，该观测站一边建设一边对“天外来客”进行探测。曹臻透露，如今该项目剩下的四分之一规模的工程也将于下个月全部结束，而今年的主要任务就是对项目进行验收，今年6月就能全部投入运行。

其实从1949年，以研究高能物理为目的，我国就开启了在这一领域的探索。在那时，第一代研究者张文裕留美归国后，着手在云南东川的落雪山上建立实验室，使用传统的云雾式探测器进行研究。不过到了上世纪70年代，实验室才进入“可用的状态”，又被其他国家横空出世的大型加速器实验给比了下去。

上世纪八十年代末，第二代探索者接力，开始申请启动西藏羊八井宇宙线观测站建设。但与合作方日本相比，“实力”稍显悬殊。当时，日方投入此项目的科研费达到约四千万日元（相当于当时200余万人民币），中方仅有20万元的启动资金。“那个时候我们什么都不会，也没钱买设备，能提供的就是人力和地方。”在此前的采访中，曹臻告诉记者，那时中方负责羊八井基地建设，日方则提供阵列设备。1990年元月，拥有45个探测器的羊八井一期小阵列和羊八井观测站初步建成。

不久后，已是高能物理所宇宙线研究室研究生的曹臻，进入羊八井当上了值班观测人员。“感觉就是去当助手，根据观测数据写成并拿到国际上发表的文章，都是由日方主导。”而且羊八井的经费并不能支撑一个后勤班子的运营，所有的运输、采购、基建等都由科研人员承担。

“但在2000年时，我们就迎来了‘平等’的合作。”曹臻所指的即是意大利国家核科学院（INFN）与高能所合作的羊八井ARGO项目。“从建设到研究，双方不管是在经费，还是研发人力的投入，以及最后科学论文的完成发表上，都按‘1：1’的比例合作分配。”

经过三十年的努力，曹臻认为中国宇宙线的研究已沉淀出了底气。“加上国家对科技的重视和投入，我们在2009年提出建立如LHAASO这样的研究计划。”

在国务院发布的《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030年）》中，高海拔宇宙线观测站项目被列为16个优先安排的重大项目之一，并于2015年12月31日获得国家发改委批准立项。

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