天鹅座万年前发出的讯息被捕获，在银河系发现大量超高能 ..._ZNDS问答

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国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”（LHAASO）在银河系内发现大量超高能宇宙加速器和人类观测到的最高能量光子，颠覆了人类对银河系超高能粒子加速的传统认知。
这一发现有何重要意义？对我们了解宇宙能提供什么样的线索？

利益相关：人在稻城，刚下飞机（doge
作为高海拔宇宙线观测站 (LHAASO) 团队的一员，很高兴大家关注我们的科研成果，说明还是有很多有好奇心的人愿意仰望星空。这个工程已经在川西高原上气候条件恶劣的地方建设了好几年，加上前期的预研工作更是有十年以上了，建设者们克服了很多困难才有了今天的物理结果，十分不容易。虽然我们并不像有些媒体宣传的那样接收到了来自外星人的信号，但是表明我们的探测器阵列的各项指标能够满足设计需要，能够探测到遥远宇宙深处发出的超高能光子和宇宙线。
我们眼睛看到的可见光、看不到的红外线和紫外线，以及手机发出和接收的无线电波都是电磁波。而 PeV 能量的光子就是人类有史以来探测到的能量最高的电磁波，比人类自己建造的加速器所能达到的能量还高几个量级，它来自宇宙中最剧烈的天体演化过程。今天这个发现标志着人类向着更高能量迈出了坚实的一步，打开了一扇新的认识宇宙的窗口。
能量越高的粒子数量越稀少，因此想要捕捉到更高能量的粒子，就需要提高探测器的规模。LHAASO 地面粒子阵列由 1188 台缪子探测器（埋在图中的土堆之下）和 5195 台电磁粒子探测器（图中的绿色盒子）组成，覆盖了相当于200个足球场的面积。虽然目前观测能力才发挥出了一半，但已经远远超过了世界上其他同类观测设备，等到今年下半年全部建成以后，一定会取得更多的发现。再加上 3 个总面积达 7.8 万平米的水切伦科夫探测器以及几十台大气广角切伦科夫望远镜做复合观测，LHAASO 很可能将在未来 20 年内在宇宙线观测领域保持地表最强，希望由中国人为全人类揭开宇宙线起源这一世纪之谜。

推荐大家看我师兄写的这个科普短文，通俗易懂～
LHAASO发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子！这意味着什么？
还有一个动画视频（转自高能所公众号）

最高能量光子是怎么回事儿
https://www.zhihu.com/video/1378306649107640320

这也太快了。伽马光子跑得快，中科院高能物理研究所刷新世界纪录的速度更快。
2019年最高能伽马射线的世界纪录是450TeV，由西藏羊八井的宇宙线观测站发现[1]；
2021年初，这个纪录被刷到了957TeV，接近1PeV（1拍电子伏特，1000万亿电子伏特，1后面跟15个零），由西藏羊八井自己刷新[2]。
短短几个月之后，纪录被刷到了1.4PeV，由四川稻城的高海拔宇宙线观测站（LHAASO，拉索）发现。
这个纪录肯定还会被刷新，而且是短时间内继续刷新。因为LHAASO仍在建设中，其四分之三阵列已经建成并投入观测运行。今天公布的这个发现是基于2020年内11个月的观测数据，等探测器阵列全部建成，肯定会有更多发现。
西藏羊八井宇宙线观测站和四川稻城宇宙线观测站，都是由我国主导，多国参与合作的国际大科学装置。有人，有钱，有设备，以后这样的重大发现会越来越多。
之前给 @中国科普博览写过一个科普，这里贴一部分，介绍超高能伽马射线的一些知识。

冷战的美苏双方联手开启伽马射线天文学
冷战时期，美国和苏联签订了禁止部分核试验的条约。为了监视苏联方面对条约的执行情况，美国专门发射了一系列名叫Vela的侦察卫星，这种卫星上装有监测伽马射线的探测仪器。
如果地球上有人进行核爆炸试验，试验将产生大量的伽马射线，Vela卫星可以探测到这种高能射线，帮助定位试验在地球上的发生地点。
1967年，Vela卫星多次探测到伽马射线的突然增强，随即又快速减弱。这种来无影去无踪的发现让美国人吓了一跳，难道苏联人在如此密集地进行核试验？进一步检查发现，伽马射线的爆发现象是随机发生的，大约每天发生一到两次，强度可以超过全天伽马射线的总和。这种爆发的来源不是地球，而是宇宙空间。
来自冷战背景的军事侦察卫星，没有监测到核试验的伽马射线，反而很意外地发现了来自宇宙的伽马射线。
美国Vela卫星的发现，随后还被苏联的Konus卫星证实。历史就是这么有趣，冷战的美苏双方，联手开启了伽马射线天文学。对宇宙伽马射线的研究，如今已成为最为炙手可热的研究领域之一。

宇宙中最亮的仔
我们在初中物理学过牛顿的三棱镜色散实验：一束白光经过三棱镜会分成赤、橙、黄、绿、青、蓝、紫的七色光，不同颜色的光具有不同的频率，波长和能量也不同，它们都是可见光，能被人类的眼睛看到。

三棱镜色散实验（图片来源：维基百科）

伽马射线本质上也是一种光，但是肉眼不可见。它的波长非常短，能量特别高，比普通可见光的能量高成千上万倍。作为对比，能被人类看到的可见光里面，紫光的能量最高，能量大约3 eV（电子伏特）左右。伽马射线的能量却在10000 eV以上，而且上不封顶。伽马射线虽然肉眼看不见，但离我们的日常生活却并不远。比如地铁和火车站的安检设备使用的X光机，其实就是利用了能量较低的“软”伽马射线，这种伽马射线是人造的。
在浩瀚的宇宙中，天体活动能够自然产生能量极高的“硬”伽马射线，成为天然的宇宙线加速器。当天体的活动非常剧烈时，可以在短时间内爆发出非常多的伽马射线，就像大暴雨一样，因此，科学家把这种现象称为“伽马射线暴”。
宇宙伽马射线的能量极高，到底有多高呢？日常生活中，我们肉眼看到的最亮天体是太阳，而天体爆发辐射出的伽马射线总能量比太阳还高得多。能够在很短的时间内，比如几分钟甚至几秒钟之中，释放巨大的能量，这相当于太阳在几十亿年寿命中释放的能量总和。在伽马射线暴面前，太阳就是个小朋友，完全不可与之相提并论。
实际上，宇宙中的超高能伽马射线的明亮程度可以媲美整个宇宙，是宇宙中当之无愧“最靓（亮）的仔”。

伽马射线暴示意图，伽马射线的束流从天体的两头射出（图片来源：NASA）

如何探测伽马射线？
高能宇宙伽马射线从太空射向地球的过程中需要穿过大气，这时它们与大气中的原子核发生相互作用，会撞出各种各样的新粒子。这些粒子在飞行过程中会再次与大气的原子核发生作用产生更多的粒子，像暴雨一样从空中洒向大地，如此“一生二，二生三”地不断发生反应产生新粒子，仿佛一颗大雨滴往下飞行的过程中散落成千千万万簇的小雨滴，科学家把这些小雨滴叫做“簇射”。

地面的探测器阵列对来自太空的宇宙射线“簇射”进行测量（图片来源：ASγ实验）

科学家通过探测这些到达地球表面的“小雨滴”来间接地研究宇宙射线。高能量宇宙伽马射线形成的“小雨滴”簇射范围非常大，簇射产生的大量次级带电粒子几乎同时到达地面。测量这些同时到达的带电粒子就可以获得“簇射”事例。这些簇射到达地表时的面积往往很大，约有几百、几千，甚至上万平方米的面积。一般来说，越高能量的宇宙射线到达地表的簇射面积就越大。
问题来了，这些“小雨滴”到达地面的分布范围太大，远远大于人类所能建造的单个探测器，像FAST那样的中国天眼也无法覆盖这样的范围。那怎么办？科学家们想出了办法：使用“探测器阵列”，把几十上百个小探测器按照一定几何分布排列在地面，组成一个超级大的探测器方阵。
可以想象，这样的大型阵列往往需要建在平地上。同时，为了防止宇宙伽马射线产生的“小雨滴”被空气吸收，探测器阵列往往选择高原作为建设地点，利用稀薄的大气层让探测器探测到更多粒子。
依托此种思路，我国的宇宙线观测站就建在高原地带，比如西藏羊八井的海拔在4300米，有效利用了当地高海拔大气稀薄的优势。

宇宙线观测站（图片来源：中科院高能所）

羊八井宇宙线观测站的表面阵列面积分布达到65000平方米，2014年还创造性地增设了面积3400平方米的地下μ子水切伦科夫探测阵列，用于探测宇宙线与地球大气作用产生的μ子。宇宙射线的大部分粒子是带电粒子，而伽马射线不带电。带电的宇宙射线进入地球产生的μ子多，而不带电的伽马射线产生的μ子少，利用这个特性可以把它们区分开来。
通过综合利用地面和地下探测器阵列的数据，我国的宇宙线观测站将100TeV以上的宇宙线背景噪声压低到百万分之一，从而极大地提高了伽马射线探测的灵敏度。这是实验近年来连续取得系列重大发现的关键技术基础。
我国正在四川稻城建造“大面积高海拔宇宙线观测站”，其四分之三阵列已经建成并投入观测运行。和西藏羊八井的ASγ实验相比，LHAASO的能量范围和灵敏度更上一层楼，成为世界上对超高能伽马射线最灵敏的探测器阵列，在国际上傲视群雄。

利器在手，宝刀屠龙
正是凭借这些大科学装置，中国科学家能够不断刷新自己创造的最高能宇宙伽马射线的世界纪录。关于这个发现的意义， @中国科普博览做了详细介绍，这里不再赘述。除此之外，还有一些有意思的点：

上午的发布会也提到了，科学家从前认为我们的银河系是是一个温和的星系，地球才有机会产生人类。结果现在我们看到银河系有这么多超高能伽马源，这些伽马射线的能量太高，对生命的诞生是不利的，超高能伽马射线甚至可能造成生物灭绝。这样危机四伏的银河系，地球生命是怎么挺过来的？
我们观测到的是最高能伽马射线是一种光子，不带电。迄今为止，人类观察最高能宇宙射线是美国人发现的“哦我的天啊粒子（Oh-My-God particle）”，可能是带电的质子。
如前所述，伽马射线其实也是一种电磁波。在开启伽马射线天文学之后，人类已经能够观测全系列的电磁波，这些电磁波覆盖了从波长最长到最短，能量最低到最高。人类了不起！

简单比喻一下：
操场一直有灰尘一样大小的球（而这个球就是与研究宇宙线起源有着巨大关系）被捕捉到，但是灰尘的路线被风、引力甚至是呼吸一下都会被干扰，无法捕捉到灰尘的来源，不知道灰尘是操场本身产生的还是外面射进来的灰尘大小的球。
有一天操场摆的摄像头【高海拔宇宙线观测站（LHAASO）】捕捉到了一个路线相对直并且速度异常快的灰尘球，而这个球基本上不受天体引力、磁场的干扰，能达到将灰尘球直线加速，需要非常大的作用能量【1.4拍电子伏的伽马光子（拍=千万亿）】，类似于导弹火箭之类才能发射，所以一直很有争议。
此次的研究成果就是找到了操场内就有一个这样的导弹（拍电子高能加速器），就来自于天鹅座，甚至这样的导弹可能遍布在操场各处，具体的就是接下来的研究。
也得益于我们的这台“摄像机”让我们观测到了宇宙比我们想的活动剧烈一些，并不是我们想象的那么平静。随着类似的摄像机的建成，我国会观测到更多的类似现象，甚至可以观测到比这次能量更大的伽马辐射。此外还发现了12个“导弹”（稳定伽马射线源）是位于LHAASO视场内银河系内最明亮的一批伽马射线源。此次观测到的源，它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”。这些发现表明以天鹅座恒星形成区、蟹状星云等为代表的年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体，有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。
另外补充一句，此次研究成果没有证据表明该现象与外星文明有直接联系。
虽然他叫做拍电子伏宇宙加速器，但是他本质上还是一个天体呀，一个能将宇宙线加速到高达千万亿电子伏特（PeV）级别的天体。根据理论模型，超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等，是最可能的超高能宇宙加速器。

无论是“嫦娥”奔赴月球，还是“祝融”登陆火星，都说明了现代国人擅长的事情之一，便是用科技的力量续写古人的绮丽想象。
而今日，一项发表在《Nature》上的这一重大成果，不仅能同古人对话，或将改变人类对银河系的传统认知。
这次的成果有多重要？
在上午的发布会中，我对一句话印象深刻。曹臻教授提到，给国际同行看这次的成果时，对方说了一句：“看到这个，我可以死了。”（大意）
究竟什么成果，能让科学家发出这样的感慨？
这项成果，便是国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”在银河系内发现了大量超高能宇宙线加速器，并且记录到最高1.4拍电子伏伽马光子（拍=千万亿）。或许你再次有了“每个字我都认识，放在一起就不知道在说什么”的奇妙体验，但不妨在了解何为宇宙线的基础上，来了解这一成果的重大价值。

宇宙线是什么线？

宇宙线是星际空间中的高能带电粒子，于1912年由奥地利物理学家维克托·赫斯发现，后者也因此荣膺1936年的诺贝尔物理学奖。人们探测到的宇宙线粒子中约90%是质子，9%是氦原子核，更重的原子核及电子等其它粒子占剩下的1%。
在银河系的星际空间中，宇宙线贡献了1/3的能量密度，是星际空间的重要组成部分，同时主导了星际化学和恒星形成等天体物理过程。因此，宇宙线的研究对于人类认识宇宙有重要意义。
宇宙线的能谱在拍电子伏(1拍=1千万亿)附近呈现一个拐折结构，这表明银河系中存在着至少能把质子加速到拍电子伏的天体。对于目前的人类文明来说，拍电子伏是一个难以企及的能量，相比起来，目前地球上最大的人造粒子加速器（即欧洲核子研究中心的LHC）能够加速粒子的极限能量仅为0.01拍电子伏左右。这些宇宙线的起源天体相当于天然的粒子物理实验室，找到这些天体并研究它们的特性不仅是人类认识理解宇宙的一个重要里程碑，也可能成为突破当前基础物理学框架的关键一步。

图1. 1太电子伏特之上的宇宙线能谱，红圈标出了1拍电子伏特附近的拐折（图片来源：Blümer et al 2009, Prog. Part. Nucl. Phys.63293）

难以企及的拍电子伏

在宇宙线被发现一个多世纪后的今天，人类对于宇宙线的研究与认识有了巨大的进展，但对于银河系中的拍电子伏宇宙线加速器的天体类型与位置却一直没有明确的答案。这是为什么呢？
主要难点有两个：第一，宇宙中遍布磁场，而带电粒子在磁场中运动时会被磁场偏折运动方向。宇宙线从源到地球的传播过程中已经失去源的位置信息，科学家们无法通过宇宙线粒子的到达方向直接定位源的位置。鉴于这种情况，科学家们转而把目标变为探测这些宇宙线与星际介质相互作用产生的光子。
第二，把粒子加速到拍电子伏的条件相当苛刻，即便天体具有很强的加速能力，也只有很小一部分粒子能成功达到如此之高的能量，因此产生的超高能光子的信号也非常弱。
让我们来更详细地看一下宇宙线与星际介质的相互作用过程：当一个拍电子伏的质子与源内或源周围的物质产生碰撞时，它会损失一部分能量并产生两个能量为其10%左右的伽马光子；而一个拍电子伏的电子也会通过与宇宙微波背景光的散射并产生一个几百太电子伏的光子(1拍=1000太)。
由于光子的运动不会受磁场影响，探测到能量在0.1拍电子伏以上的光子（也称为超高能光子）的源便可定位拍电子伏粒子加速器。然而此前国际上主流探测器主要工作在0.1 拍电子伏能量以下，难以有效确认拍电子伏宇宙线加速器。
里程碑式的新发现

我国的高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是当前国际上最灵敏的超高能伽马射线探测器。它的工作能量从太电子伏一直延伸到拍电子伏，不仅具有一平方公里的超大有效探测面积，其配备的1188个缪子探测器还能够把混在十万个背景事件中的一个光子信号准确挑出。凭借着强劲的性能，LHAASO仅靠其在1/2规模阶段运行11个月收集到的数据，便一举在银河系内发现了12个超高能伽马射线源！
这项里程碑式的新发现打开了超高能伽马射线天文观测的新窗口，使人类得以瞥见银河系中的汹涌暗流。我们有理由相信，在未来几年中，当完整的LHAASO投入使用后，很可能会发现银河系中遍布超高能伽马射线源，这足以撼动人类对银河系的传统认知。
在这12个源当中，既包含了如蟹状星云、天鹅座恒星形成区等在伽马射线天文领域著名的天体，也有此前从未发现过的新源。最令人吃惊的是，前两者中最高的光子能量竟达到了1拍电子伏，大大刷新了人类探测到的光子最高能量的纪录，也对这两个天体的传统理论解释提出了严重的挑战。
一千年以后，重新认识蟹状星云

蟹状星云诞生于公元1054年的一次超新星爆发。在这喻示恒星毁灭的惊叹声中，一颗强劲的脉冲星产生了。这颗脉冲星驱动的极端相对论性正负电子对风，在与超新星抛射物激烈的相互作用下，造就了强大的拍电子伏粒子加速器。
蟹状星云与中国其实颇有渊源，它的诞生过程最早由北宋的司天监记录下来（《宋史·志·卷九》：“至和元年（1054）五月己丑，出天关东南可数寸，岁余稍没”）。这珍贵的历史记录使当代的天文学家得以确定蟹状星云的精确年龄并据此研究其演化及各种物理过程。如今，蟹状星云被称为“伽马天文标准烛光”，对天文学的意义不言而喻。在其被中国古天文学家发现的一千年后，中国的探测器又一次开启了人类对这个星云的新认知。

图2.（左）可见光波段观测到的蟹状星云（图片来源：NASA）（右）宋史中对产生蟹状星云的超新星爆发的记载（图片来源：界面新闻）

创纪录的天鹅座恒星形成区

天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮的区域，这里聚集着大量的大质量恒星，总质量达到数万倍太阳质量。大质量恒星具有强烈的星风，速度可达几千公里每秒。在这样相对狭小的空间里，许多星风互相之间发生猛烈的碰撞，造成天鹅座恒星形成区复杂的强激波、强湍流的环境。
此外，大质量恒星的寿命只有百万年量级，可以预期频繁的超新星爆发，而后者产生的爆震波将进一步加剧该区域的激波与湍流过程，这使得天鹅座恒星形成区成为理想的宇宙线加速场所。LHAASO在该区域发现了1.4拍电子伏的最高能量光子，预示着“拍电子伏粒子加速器”或许已不足以形容天鹅座恒星形成区作为粒子加速器的强大。

图3. 红外波段的天鹅座恒星形成区（图片来源：NASA）

那么，LHAASO宇宙线观测站探测器是怎么工作的？不妨来看个视频。
值得一提的是，LHAASO的强劲性能不仅体现在对超高能伽马源的探测，还表现为其对源的能谱的精确测量。LHAASO团队分析了另外三个明亮源的能谱，发现光子数随能量的分布函数可以很好地用对数抛物线描述，这使得科学家们能够对这些光子背后的辐射机制与粒子加速过程做出定量的判断。

图4. LHAASO测量到的三个超高能伽马射线源的能谱，黑色实线是用对数抛物线对能谱的最佳拟合，拟合优度远高于用幂率函数的拟合（黑色虚线），小图是LHAASO对三个源的成像

作为我国第三代高山宇宙线探测器，LHAASO承载着中国一代又一代科学家与工程师持之以恒的梦想与心血。
自1954年中国第一代高山宇宙线探测器在云南东川落雪山落成以来、经历了位于西藏羊八井第二代探测器ASγ与ARGO-YBJ的沉淀后，中国在伽马射线天文学领域跻身于世界前列，而LHAASO将在未来至少十年内引领这个领域的发展。当中国逐步在国际社会上展现出大国担当的同时，我们也期待着今后中国能为人类对宇宙的探索做出更多重要的贡献。
点击查看ASγ相关：
<a href="http://link.zhihu.com/?target=https%3A//mp.weixin.qq.com/s%3F__biz%3DMzI3MzE3OTI0Mw%3D%3D%26mid%3D2247515601%26idx%3D1%26sn%3Deb2fd48d656cc78978b5454b514fdaea%26scene%3D21%2522%2520%255Cl%2520%2522wechat_redirect%2522%2520%255Ct%2520%2522_blank" data-draft-node="block" data-draft-type="link-card" data-image="http://pic3.zhimg.com/v2-758943c0dc26b8d0d8cbbd58c4fdb07e_180x120.jpg" data-image-width="1024" data-image-height="435" class=" wrap external" target="_blank" rel="nofollow noreferrer">这项实验，或可解开超高能宇宙线起源的“世纪之谜”

图5. 中国三代高山宇宙线探测器。（上）云南东川落雪山宇宙线实验站，海拔3180米；（中）西藏羊八井宇宙线观测站ASγ和ARGO-YBJ，海拔4300米；（下）四川稻城海子山高海拔宇宙线观测站LHAASO，海拔4410米，目前已基本建成（图片来源：中国科学院高能物理研究所）

作者：柳若愚（南京大学）杨睿智（中国科学技术大学）
出品：科学大院
科学大院是博览团队运营的中科院官方科普公众号，转载请联系cas@cnic.cn

这件事是“记录到最高能量 1.4P 电子伏特的伽马光子，来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区；还发现了 12 个稳定超高能伽马射线源，能量一直延伸到 1P 电子伏特附近”，这基本上是自然现象。
新闻稿使用“讯息”“来信”之类词语，造成了一些误解，你可以看到美国古典外星阴谋论和刘慈欣的“不要回答”作为模因被各式各样的人复读。
过去，人们多次观测到能量约 10^14 到 10^15 电子伏特的宇宙射线[1]，但不知道这些高能粒子是“从银河系外飞来的”还是“由银河系内的某种机制产生的”。由于这些粒子多为带电粒子[2]，其运动方向可能被各种天体的电磁场干扰，难以用来判断发射源的所在之处。

来源：中科院高能所

上图为 2021 年 4 月发布的西藏 ASγ 实验团队观测的“超高能弥散伽马射线事例”在银道坐标系下的分布示意图。图中黄点表示检测到超高能弥散伽马射线的方位，其能量在 398 T电子伏特到 1 P电子伏特之间（T 表示 10^12，P 表示 10^15），表现出向银盘集中。图中灰色阴影区域是 ASγ 实验无法观测的区域，背景叠加了银河系坐标中氢原子的分布。
伽马光子是不带电的，这分布也不像引力透镜之类效应所能造成，而是符合“能量约 1P 电子伏特的高能宇宙线与银河系分子云碰撞产生伽马射线”的模型。该模型认为，年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云、银河系中心超大质量黑洞等构造附近的高能质子与气体的相互作用·高能电子散射恒星和尘埃辐射等可以产生这个能级的伽马光子。

对此次观测的天鹅座恒星形成区来说，高能电子的可能性已经被 X 线和射电天文学观测排除。
LHAASO 观测到的 12 个源可以证明银河系内遍布 P 电子伏特级别的宇宙线加速器，这不是“外星人建造的加速器”的意思。
大部分新闻稿没有提，LHAASO 也从蟹状星云超新星遗迹方向探测到超过 1P 电子伏特的伽马光子。
过去的理论模型认为银河系内的宇宙线加速器存在能量极限，预言伽马射线能谱在一百万亿电子伏特以上有“截断”现象，而 LHAASO 这次发现的大多数源并无截断。

谈“重大意义”的话，可以用来研究这些粒子在自然界是如何加速到这种地步的，这之中有没有未知的天体与物理过程，在这样的能级下粒子会不会发生一些未知现象，还有我们能不能在地球上实现这些过程、开发其用途。
而且，即使你觉得一件事没什么意义，你也难以确定这件事在人类社会这个复杂系统里会引起什么样的反应。
历史上还有少量更高能量的宇宙射线的观测记录，这项研究也可能对探究那些粒子的产生机制起到一定作用。

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