这个巨型超高能的宇宙“气泡”是什么?“拉索”最新发现并揭秘

发布时间:2024-04-25 23:01:58 来源: sp20240425

   中新网 北京2月26日电 (记者 孙自法)在银河系天鹅座恒星形成区,有一个巨型超高能伽马射线泡状结构——大小近千万倍太阳系、能量超1亿亿电子伏的宇宙“气泡”,最近被中国的大科学装置高海拔宇宙线观测站(英文缩写LHAASO,中文昵称“拉索”)发现,并研究确认它是一个宇宙线的起源天体。

曹臻院士解读“拉索”最新重大发现及研究进展。 中新网 记者 孙自法 摄

  这项在世界和历史上首次发现能量高于1亿亿电子伏宇宙线起源天体、认证第一个超级宇宙线加速源的重要高能天体物理研究成果,由中国科学院高能物理研究所(高能所)领导的“拉索”国际合作组完成,相关论文2月26日以封面形式在知名学术期刊《科学通报》(Science Bulletin)上发表。

发表本项重要成果的《科学通报》(Science Bulletin)封面。中国科学院高能所/供图

  最新发现研究缘何而起?

  成果正式发表前夕,中国科学院院士、中国科学院高能所研究员、“拉索”首席科学家曹臻率论文主要作者,向媒体科普解读“拉索”这项重大发现及研究进展。

  宇宙线是来自外太空的带电粒子,其主要成分为质子。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。测量发现,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”。

展示介绍本项重要成果的海报。中国科学院高能所/供图

  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,究竟何种天体能把宇宙线能量加速到这么高能量,形成“膝”的能谱结构,仍然是一个未解之谜,也是近年来宇宙线研究中最引人关注的课题之一。

  此次研究中,“拉索”在天鹅座恒星形成区发现一个巨型超高能伽马射线泡状结构,这个保守估计直径约1000光年、距离地球约5000光年的宇宙“气泡”内,有多个能量超过1千万亿电子伏的光子分布其中,最高达到2千万亿电子伏。

  如何认证宇宙线起源天体?

  “拉索”团队指出,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。因此,这表明该巨型超高能宇宙“气泡”内部存在超级宇宙线加速器,从而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。

“拉索”航拍图。中国科学院高能所/供图

  这些高能宇宙线与星际空间中的气体物质发生碰撞产生伽马光子,光子的数目与周围气体的分布呈现清晰的关联,而位于该宇宙“气泡”中心附近的大质量恒星星团,则是超级宇宙线加速器最可能的对应天体。

  大质量恒星星团是由很多表面温度超过约3.5万度的恒星(O型星)和表面温度超过约1.5万度的恒星(B型星)这类年轻、炽热的大质量恒星组成密集星团。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,其速度可达每秒上千公里。随后,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。

  “拉索”团队认为,这个强大的粒子加速器是迄今为止科学家们能够认证的第一个超级宇宙线加速源。相信随着观测时间的增加,“拉索”未来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,有望解决银河系的宇宙线起源之谜。

  宇宙“气泡”还有何重要发现?

  “冰冻三尺,非一日之寒”。“拉索”团队强调,这次首次发现能量高于1亿亿电子伏宇宙线起源天体、认证第一个超级宇宙线加速源,并非一两次观测的一蹴而就,而是在“拉索”自2019年试运行以来长期观测数据积累基础上持续研究获得。

  此次在发现揭秘银河系超高能宇宙线起源之谜的同时,“拉索”还根据观测推断出,该宇宙“气泡”内超级宇宙线加速器使得周边星际空间的宇宙线密度,显著高于银河系内宇宙线的平均水平,其所影响的空间范围甚至远超目前观测到的“气泡”尺度,从而为“拉索”此前探测到的银河系弥散伽马射线辐射的超出提供了一种可能的解释。

“拉索”观测到的高能伽马射线空间分布,图中每个圆点代表“拉索”探测到的一个超高能伽马光子。中国科学院高能所/供图

  据介绍,作为当前国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置、以宇宙线观测研究为核心的中国国家重大科技基础设施,“拉索”由中国科学院高能所承担建设运行,并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。

  “拉索”位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,由5216个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的1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,2021年7月建成并开始高质量稳定运行。

曹臻院士解读“拉索”最新重大发现及研究进展。 中新网 记者 孙自法 摄

  目前,“拉索”国际合作组拥有32个中外天体物理研究机构作为成员单位,科学家成员约280人。除曹臻院士外,最新发表成果论文的共同通讯作者还包括中国科学院高能所博士研究生高川东、李骢副研究员和南京大学柳若愚研究员、中国科学技术大学杨睿智教授。(完)

【编辑:胡寒笑】