人类首次发现银河系超高能宇宙线源存在证据

据广播电视总台中国之声《新闻纵横》报道，宇宙中各种各样的射线给我们带来了探索宇宙奥秘的钥匙。100多年前，科学家发现了宇宙射线，但它的起源问题一直没有确切的答案。近日，西藏羊八井中日合作ASγ实验观测到迄今为止最高能量的伽马射线辐射，最高能量接近1PeV（1000万亿电子伏特）。这是人类首次发现超高能宇宙线源存在于银河系的证据。这一成果被美国物理学会评论为研究高能宇宙线起源“世纪之谜”的里程碑。为什么说这一发现具有里程碑的意义呢？

西藏ASγ实验团队观测到的超高能弥散伽马射线事例在银道坐标系下的分布。这些超高能弥散伽马射线的能量在400TeV到1PeV之间，表现出向银盘（图中水平中线）集中分布的特点。灰色阴影区域是ASγ实验无法观测的区域。背景色轮廓显示了银河系坐标中氢原子的分布（央广网发 图片来源：中科院高能物理研究所）

高能宇宙线起源是一个世纪未解之谜。宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，主要由质子和其他原子核组成。通常低于几个PeV能量的宇宙线被认为主要产生于银河系内，而能将宇宙线加速到PeV能量的天体也被称为是“拍电子伏特宇宙线加速器”。到底什么是“拍电子伏特宇宙线加速器”呢？中国科学院高能物理研究所研究员黄晶解释：“宇宙射线指的是带电粒子。它是粒子，但宇宙线加速器指的是剧烈爆发天体的现象。电子伏特（eV）是能量的单位，代表一个电子经过1伏特的电位差加速后所获得的动能。比如1PeV相当于医学诊断用的X射线能量的1000亿倍。太阳也是宇宙线源，只不过它是低能的宇宙线源，只能加速宇宙线达到10的9次方电子伏特，而‘拍电子伏特宇宙线加速器’是10的15次方电子伏特。”

根据理论模型，“拍电子伏特宇宙线加速器”的候选体可能是超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等。宇宙线被发现一百多年，但并没有任何一个“拍电子伏特宇宙线加速器”得到观测证实。其主要困难在于，带电的高能宇宙线粒子在银河系传播的过程中其运动方向会被磁场偏转，无法通过直接探测搜寻其源头方向。黄晶说：“我们只知道银河系内确切存在着这个‘拍电子伏特宇宙线加速器’，但在这之前没有人发现，没有确切证据，都是理论家们推测有可能是在银河系内。”

我国西藏羊八井ASγ实验（左图：ASγ表面阵列；右图：地下水切伦科夫探测器）（央广网发 图片来源：中科院高能物理研究所）

这次，科研团队在西藏羊八井高海拔地区基于创新型开发的观测技术，在银盘，相当于银河系的银道面上，发现超高能弥散伽马射线，证实了是“拍电子伏特宇宙线加速器”存在于银河系的重要证据。黄晶介绍：“这些超高能伽马射线的方向并没有指向已知的伽马射线源，而是弥漫分布在银盘上。这些超高能弥散伽马线就像是‘拍电子伏特宇宙线加速器’在银河系内留下的一串串‘足迹’。”

黄晶告诉记者，这一发现也是一个“意外的惊喜”。她说：“我原来的目的是要利用这些弥散伽马射线到来的方向去反推已知的源，结果我们发现一个也对应不上。这时候我们就会去想：它到底是什么？经过长达两年多的理论推理和计算，我们发现这些都是‘拍电子伏特宇宙线加速器’留给我们的证据。”

这一发现是朝着解开高能宇宙线起源“世纪之谜”迈出的重要一步，被美国物理学会评论为研究高能宇宙线起源“世纪之谜”的里程碑。人类对宇宙的认识几乎都是理论超过实验观测，而本次实验观测为宇宙线加速、传播理论提供了确切可信的实验证据。黄晶进一步表示，揭开这个世纪之谜，掌握其中的原理，将为人类带来更多实际作用。她说：“宇宙线的发现促进了粒子物理的大大进步。我们的原子弹、热核反应这些都是来自粒子物理。所以宇宙线的发现以及研究宇宙线就能了解自然界里面如何能够将粒子加速到这么高的能量，它会发生什么一系列的反应，这些都是我们人类需要去了解的自然界的规律。”