LHAASO开启超高能伽马天文学新时代_风闻

宇宙电磁辐射提供了人类仰望星空的最有效的天文窗口，它涵盖了从射电、红外、可见光、紫外、X射线到伽马射线的高达二十多个量级的宽广能量范围。一般地，随着光子能量升高，其辐射机制对应更加剧烈的天体活动以及更为极端的天体物理环境。伽马射线踞于宇宙电磁辐射能谱的最高端，为人类研究极端条件下的高能物理过程及天体演化提供了探针。二十世纪末人类凭借多个成像大气切伦科夫望远镜实验历经十多年时间成功打开了甚高能段（VHE：1011-1014电子伏特）这一当时最高能量的天文窗口，获得了丰硕的科学成果。超高能（UHE：>1014电子伏特）伽马天文是迄今人类观测宇宙的最后一个、也是最高能量的电磁辐射窗口，由于超高能伽马射线数量极少而被淹没在巨大的宇宙线背景中，对超高能伽马射线的探测一直是人类面临的一个巨大挑战，成为未曾开垦的处女地。

国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO）”（总投资约12亿元）于2017年11月开工，2019年底1/2规模的平方公里阵列（KM2A）建成并投入科学运行，不到一年的时间里便以高显著性观测到12个超高能伽马射线源，开启了超高能伽马天文这一人类观测宇宙的最高能量电磁辐射窗口，相关科学成果于2021年5月17日以Detection of Ultra-high Energy Photons up to 1.4 PeV from 12 Gamma-ray Sources为题在《自然》（Nature）上正式发表。

超高能伽马射线来自于比它能量更高的粒子，故可以用来示踪这些高能粒子的起源、加速以及传播机制，也即可以用来发现并研究宇宙高能粒子加速器，是破解高能宇宙线起源这一“世纪之谜”的金钥匙。然而探测超高能伽马射线非常困难，一个超高能伽马射线探测器必须同时具备下面五个条件：

大面积：超高能伽马射线非常稀少，一平方千米的面积上每天只能接收到一两个，要捕捉它们需要在至少一平方千米的面积上布下“天罗地网”；

强大的伽马/背景区分能力：这些稀有的伽马事例混杂在成千上万倍的宇宙线背景中，探测器要具有火眼金睛，准确识别伽马事例和宇宙线背景事例，才能够大海捞针般从成千上万的背景中准确挑出稀有的伽马射线事例；

高海拔：探测超高能伽马射线要到海拔4000-5000米的雪域高原，这里空气稀薄，呼吸困难，却是探测超高能伽马射线的最佳场所；

大视场：一双火眼金睛只能看一部分天空，要有千万双盯住整个天空，不丢掉一个宝贵的事例；

全天候：这些火眼金睛不能眨，要日日夜夜风风雨雨中不眠不休，才能够捕捉到所有的事例；

LHAASO站址平均海拔4410米，KM2A由品字形排布在1.36平方千米面积上的5195台电磁粒子探测器（ED）组成的阵列捕捉这些天外来客，总面积达4万平米的1188台缪子探测器（MD）则负责从上万个事例中准确挑出其中的一个伽马事例，整个阵列可以全天候监视整个天空。探测超高能伽马射线KM2A比欧洲在建的切伦科夫望远镜阵列（CTA）灵敏15倍。

一个崭新的、尤其是最高能量的电磁辐射窗口的开启，必将为人类带来浩瀚宇宙的诸多新奇科学发现，引领人类去揭示新的物理规律。KM2A局部阵列不到一年时间的观测便发现如此多的天体具有超高能辐射，其能谱并非像科学家此前预期的那样由于缺乏加速超高能粒子的能力在高能端呈现明显截断，这对现有的理论模型提出了很强的挑战；KM2A迄今观测到的最高能量光子超过1 PeV（1015电子伏特），揭示了人类居住的银河系中存在科学家长期寻找的PeV粒子加速器（PeVatron），人类从此找到了研究超高能粒子加速及辐射机制的天然实验室；有趣的是，这个人类迄今所观测到的最高能量的光子来自大名鼎鼎的天鹅座“茧壳”（Cocoon），长期以来科学家们相信它是一个超高能宇宙线源，但一直没有找到确凿的证据，这一PeV光子的发现为回答这一问题带来了曙光，随着统计量的增大，KM2A将很快给出关键证据。

LHAASO现在的科学发现只是超高能伽马天文的冰山一角。2020年底3/4规模的LHAASO投入了科学运行，全阵列预计于2021年建成并投入科学运行。假以时日，LHAASO将凭借其远超现有水平的灵敏度向高能宇宙线起源这一“世纪之谜”发起冲击，并开展相关的高能辐射、天体演化、暗物质分布等前沿科学研究。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO，2020/11）

KM2A测得的超高能伽马源天图（上）及银道面局部放大图（下）。 

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高海拔宇宙线观测站及其核心科学目标

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，占地面积约1.36平方公里，是由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的复合阵列。LHAASO采用这四种探测技术，可以全方位、多变量地测量宇宙线。

高海拔宇宙线观测站的核心科学目标是：探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动，并寻找暗物质；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”）的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，揭示宇宙线加速和传播的规律，探索新物理前沿。

拍电子伏宇宙加速器和PeV光子

“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，即便是天空最为明亮且被称为“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。LHAASO的平方公里探测阵列内的1188个缪子探测器专门用于排除非光子信号，使之成为全球最灵敏的超高能伽马射线探测器。借助这前所未有的灵敏度，1/2规模的KM2A仅用了11个月就探测到并证认了来自蟹状星云的约1 PeV的伽马光子。不仅如此，KM2A还在银河系内发现了12个类似的源，他们都具有超高能光子辐射，其能谱稳定地延伸到PeV附近，其中探测到的伽马光子的最高能量达到创纪录的1.4 PeV。由此可见， LHAASO的此次科学成果在宇宙线起源的研究进程中具有里程碑意义。具体来说有以下三个方面的科学突破：

1）揭示了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1 PeV的宇宙加速器。在这次观测中，LHAASO所能够有效观测到的伽马射线源中（观测中超过5倍标准偏差的超出视为有效观测），几乎所有的辐射能谱都稳定延伸到几百TeV且没有明显截断，说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量超过1 PeV。这突破了当前流行的理论模型所宣称的银河系宇宙线加速PeV能量极限。同时，LHAASO发现银河系内大量存在PeV宇宙加速源，也向着解决宇宙线起源这一科学难题迈出了至关重要的一步。

2）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，可以预见这一最高能量的天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知的“超高能宇宙”，为探索宇宙极端天体物理现象提供丰富的数据。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 PeV的伽马射线。到了银河系以外，即使产生了PeV伽马射线，由于背景辐射光子的严重吸收，我们也接受不到这些PeV伽马射线。LHAASO打开银河系PeV辐射探测窗口，对于研究遥远的宇宙也具有特殊意义。

3）能量超过1 PeV的伽马射线光子首现天鹅座区域和蟹状星云。PeV光子的探测是伽马天文学的一座里程碑，承载着伽马天文界的梦想，长期以来一直是伽马天文发展的强大驱动力。事实上，上个世纪80年代伽马天文学爆发式发展的一个重要动机就是挑战PeV光子极限。天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮的区域，拥有多个大质量恒星星团，大质量恒星的寿命只有几百万年，因此星团内部充满了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寻找超高能宇宙线源的最佳天区。这个区域将是LHAASO以及相关的多波段、多信使天文观测设备关注的焦点，有望成为解开“世纪之谜”的突破口。

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，跨越22个量级的光谱精确测量清楚地表明其电子加速器的标志性特征。然而，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。

技术创新

LHAASO开发了远距时钟同步技术，确保整个阵列的每个探测器同步精度可达亚纳秒水平；在高速前端信号数字化、高速数据传输、大型计算集群协助下满足了多种触发模式并行等尖端技术要求；首次大规模使用硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测技术，大大提高了伽马射线测量的空间分辨率，达到了更低的探测阈能，使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面，都达到前所未有的水平。LHAASO也为开展大气、环境、空间天气等前沿交叉科学研究提供了重要实验平台，并成为多边国际合作共同开展高水平研究的科学基地。

中国的宇宙线研究发展历程

中国的宇宙线实验研究经历了三个阶段，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙线实验室。高山实验能够充分利用大气作为探测介质，在地面进行观测，探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。由于超高能量宇宙线数量稀少，这是唯一的观测手段。1954年，中国第一个高山宇宙线实验室在海拔3180米的云南东川落雪山建成。1989年，在海拔4300米的西藏羊八井启动了中日合作的宇宙线实验；2000年，启动中意ARGO实验。

2009年，在北京香山科学会议上，曹臻研究员提出在高海拔地区建设大型复合探测阵列“高海拔宇宙线观测站”的完整构想。LHAASO的主体工程于2017年开始建设，2019年4月完成1/4的规模建设并投入科学运行。2020年1月，LHAASO完成了1/2规模的建设并投入运行，同年12月完成3/4规模并投入运行。2021年，LHAASO阵列将全部建成，成为国际领先的超高能伽马探测装置，投入长期运行，从多个方面展开宇宙线起源的探索性研究。

来源：中国科学院高能物理研究所