拉索发现的这个“大泡泡”，藏着宇宙线起源之谜？｜天工开问

封面新闻记者 张峥 实习生 刘涵

每年夏末秋初，天上都会有一只美丽的天鹅在夜空展翅，这是著名的天鹅座恒星区的标志，从古希腊时期就有着无数关于天鹅的美丽传说。而最近，高海拔宇宙线观测站“拉索”LHAASO在天鹅座的星云上有了新的发现：一个巨型超高能伽马射线泡状结构，这是历史上首次找到能量高于1亿亿电子伏的宇宙线的起源天体，可能蕴藏着宇宙线起源之谜。

该项研究由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成。中国科学院院士、高能物理研究所研究员曹臻，高能物理研究所的博士研究生高川东、李骢副研究员，南京大学的柳若愚研究员，中国科学技术大学的杨睿智教授为共同通讯作者的论文，以封面文字的形式发布在了2月26日《Science Bulletin》（《科学通报》）上。

在新闻发布会上，曹臻介绍了拉索的新发现。从现场展示的PPT中，封面新闻记者看到，这个位于天鹅座的巨大泡泡，由内到外呈现出亮白、桔红、红色。越往内部走，伽马射线的密度越高。而它的体积可能是太阳系的几千万倍。

“泡泡”位于银河系中的天鹅座，曹臻院士在采访中谈到，“泡泡”的学名叫巨型超高能伽马射线泡状结构，经发现内部存在“超级宇宙线加速器”，能够源源不断地产生能量至少达到2亿亿电子伏的高能宇宙线粒子，并注入到星际空间。这是迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源，随着观测时间的增加，拉索将可能探测到更多的千万亿电子伏乃至更高能量宇宙线的加速源，有望解释银河系宇宙线起源之谜。

一般来说，产生能量为2千万亿电子伏的伽马光子，需要能量至少高10倍的宇宙线粒子。所以泡内部的“超级宇宙线加速器”就显得格外神秘。

曹臻院士团队在采访中称，位于泡中心附近的大质量恒星星团（Cygnus OB2星协）是“超级宇宙线加速器”最可能的对应天体。星协是由很多表面温度超过约3万5千度的恒星（O型星）和表面温度超过约1万5千度的恒星（B型星）这类年轻、炽热的大质量恒星组成的密集星团。这些恒星的辐射强度是太阳的百倍至百万倍，巨大的辐射压将恒星表面物质吹出，形成了强烈的星风，速度可达每秒上千公里。星风与周围星际介质的碰撞以及星风之间的猛烈碰撞产生了强激波、强湍流的极端环境，成为强大的粒子加速器。

研究成果以封面文字的形式发布在了2月26日《Science Bulletin》（《科学通报》）上

宇宙里的“线”是什么？宇宙线并不是真实存在的“线”，而是一种粒子性的星际介质。星际介质共有四种，它们共同填充了宇宙的模型，分别是：磁场，光子场，气体与宇宙线。其本质是从外太空来的带电粒子，宇宙线的起源是当代天体物理学最重大的前沿科学问题之一，研究其起源也是认识宇宙的重要方式。

曹臻介绍，宇宙线的能谱（即宇宙线数量在粒子能量上的分布）在1千万亿电子伏附近呈现出一个拐折结构，因其形状类似膝关节而被称为宇宙线能谱的“膝”。此前的科学家们认为，能量比“膝”低的宇宙线起源于银河系内的天体，而“膝”的存在也表明银河系大部分的宇宙线源加速质子的能量极限在1千万亿电子伏左右。然而，在此次发现的泡状结构中，曹臻院士团队发现内有多个能量超过1千万亿电子伏的光子，最高达到2千万亿电子伏，远远超过“膝”的能量，这也是世界上第一次看到“膝”以上的宇宙线的产生源。

这并不是“拉索”第一次“大显神威”，早在2021年，拉索就在11个月的时间里发现了12个超高能伽马射线源。这些来自遥远的银河系另一头的“信使”们曾标志着“超高能伽马天文学”时代的到来。拉索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，是由5216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探测器阵列、7.8万平方米水切伦科夫探测器阵列以及由18台广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。

拉索于2021年7月建成并开始高质量稳定运行，是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置。设施的运行由中国科学院高能物理研究所承担，采用通用的国际合作模式，实现设施平台与观测数据的开放共享。目前，已有32个国内外天体物理研究机构成为拉索的国际合作组织成员单位，成员约280人。