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宇宙線是星際空間中的相對論性粒子，它貢獻了星際介質1/4的能量密度，調控了星際化學和恒星形成過程，同時也是暗物質間接觀測的重要媒介。但是自宇宙線100多年前被發(fā)現(xiàn)以來，其起源一直成謎。日前，中國科學技術大學近代物理系，天文學系以及核探測與核電子學國家重點實驗室參與的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）實驗在銀河系中發(fā)現(xiàn)了12個能把宇宙線加速到1千萬億電子伏特（10^15 eV, PeV）以上的加速源，從而為宇宙線起源這一問題的解決帶來了突破性的進展。成果以“Detection of Ultra-high Energy Photons up to 1.4 PeV from 12 Gamma-ray Sources”為題發(fā)表于綜合學術期刊《自然》（Nature）。

在宇宙線起源的研究方面，國內外學者提出了多種觀點和假說。一般認為，一千萬億電子伏特甚至一百億億電子伏特以下能量的宇宙線都應該在銀河系內被加速，而超新星遺跡（supernova remnants）被認為是最可能的一類加速源。但是最新的伽馬射線觀測以及理論計算表明，已知的超新星遺跡似乎并不能把宇宙線加速到這么高的能量。因此，尋找PeV宇宙線加速源（PeVatron）就成了宇宙線起源研究中的核心問題。另一方面，宇宙線與星際介質中其他成分的相互作用會產生地球上可觀測的伽馬射線光子。通過研究伽馬射線源的能譜和空間形態(tài)就有可能認證PeV宇宙線加速源。

LHAASO陣列由于其對超高能伽馬射線前所未有的靈敏度，成為研究這個問題的理想工具。盡管還沒有完全完成建設，但一半LHAASO陣列在11個月的觀測后已經在銀盤上觀測到了12個在一百萬億電子伏特以上具有7倍標準偏差以上置信度的超高能伽馬射線源(見下圖)。如此高能量的伽馬射線只可能由PeV能量以上宇宙線質子或電子與星際介質相互作用而產生。這位PeVatron在銀河系中的大量存在提供了直接的證據(jù)。同時，這也是人類首次在超高能伽馬射線能段探測到如此多的天體，打開了超高能伽馬射線天文學的新窗口。

隨著LHAASO陣列的建設完成和持續(xù)曝光，這些源的空間形態(tài)和能譜信息將得到更精準的測量，同時結合多波段多信使的協(xié)同觀測（LHAASO觀測到的其中一個源LHAASO J1908+0621的多波段研究的例子如下圖），我們將繼續(xù)推進對這些宇宙線源中的宇宙線輻射機制和加速過程的研究，從而繼續(xù)推動對宇宙線起源這一基礎科學問題的理解。

我校物理學院近代物理系與核探測與核電子學國家重點實驗室李澄、唐澤波、江琨團隊在LHAASO實驗中負責WCDA和KM2A陣列繆子探測器核心部件——大尺寸光敏探頭的研制，安琪、趙雷、曹喆團隊負責WCDA陣列的大尺寸光敏探頭讀出電子學系統(tǒng)的設計、制造和安裝，天文學系的楊睿智參與了數(shù)據(jù)分析工作，主持了多波段數(shù)據(jù)的收集和對觀測數(shù)據(jù)的理論解釋工作，并且是論文的通訊作者之一。

國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，由中國科學院高能物理研究所，中國科學技術大學，清華大學等25家國內外單位合作建設。這次報道的成果是基于已經建成的1/2規(guī)模探測裝置，在2020年內11個月的觀測數(shù)據(jù)。研究成果17日在國際知名學術期刊《自然》發(fā)表。

文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-021-03498-z

（物理學院、中國科學院核探測與核電子學國家重點實驗室、科研部）