興奮來得快，去得也快。高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，簡稱“拉索”）團隊成員、中國科學院高能物理研究所副研究員李驄放下因激動而舉起的雙臂。

這是2020年的一天，李驄的面前是一張?zhí)禊Z座恒星形成區(qū)的光子能量分布圖。這個地方離太陽系有4000至5000光年遠。圖是以“拉索”探測數(shù)據(jù)為基礎形成的，圖上的兩個亮白光斑恰好落在星際間氣體分布最密的地方。

“這個區(qū)域里應該有超級宇宙線加速源！但是……還不夠清晰。”李驄撓了撓頭。

他決定繼續(xù)等待。只要“拉索”能收集到更多超高能光子數(shù)據(jù)，這張圖就能越來越清晰。

4年后的2024年2月26日，他和合作者終于以封面文章形式在《科學通報》正式發(fā)表關于發(fā)現(xiàn)超級宇宙線加速源的論文。

這次，他們在天鵝座恒星形成區(qū)清晰看到了一個巨型超高能伽馬射線泡，尺度有千萬個太陽系那么大，質量是太陽的幾百萬倍。這個“巨型泡泡”是歷史上首個被認證的超級宇宙線加速源。它的出現(xiàn)，讓原本可以解釋宇宙線的一些理論模型不再適用。

巨型泡泡

“有令人懷疑的東西”

天鵝座是銀河系北部天區(qū)里最亮的地方。每年9月25日晚上8點，天鵝座都會升上中天。當銀河像輕紗一般飄在空中時，天鵝座就像點綴在輕紗上的顆顆鉆石。

因為足夠亮，天鵝座也承載了人類破解宇宙線起源難題的希望。

宇宙線是宇宙中的帶電粒子，占據(jù)了宇宙星際介質的四分之一，主要成分是質子。宇宙線的起源問題是當代天體物理學最重大的前沿科學問題之一。

2020年，“拉索”找到了12顆由宇宙線產(chǎn)生的超高能光子，有2顆來自天鵝座，而12顆光子中，能量最高的一顆也在天鵝座，高達1.4千萬億電子伏特。

當這一消息在2021年5月17日以論文形式刊發(fā)于《自然》時，全球科學家大為震驚。不到3年，這篇論文已經(jīng)被引用了380多次，大家都在討論一個問題——“這么高能量的宇宙線和光子是怎么出現(xiàn)的”。

就在全球科學家百思不解時，“拉索”又陸續(xù)在天鵝座里找到了另外7顆超高能光子，能量最高的一顆達到了2千萬億電子伏特。

集齊了足夠多的超高能光子數(shù)據(jù)后，李驄看到了一張更清晰的圖。圖上，8個大亮斑幾乎均勻分布在同一個空間里，它們和周圍的一些小亮斑共同組成了一個泡狀結構，而且，所有亮斑清晰地分布在星際空間中氣體物質密集的地方。

“這是非常明顯的證據(jù)！說明泡泡中心有令人懷疑的東西！它在以幾乎恒定的速度產(chǎn)生能量高于1億億電子伏特的宇宙線，這些宇宙線與分子云碰撞，產(chǎn)生了超高能光子！”這次，李驄興奮極了。

在南京大學天文與空間科學學院研究員柳若愚、中國科學技術大學教授楊睿智等的支持下，他們果真在泡泡中心附近，看到了一個處于極端環(huán)境的大質量恒星星團。

星團里的恒星大多年輕、熾熱，有些表面溫度超過3.5萬攝氏度，有些表面溫度超過1.5萬攝氏度，它們的輻射強度是太陽的百倍至百萬倍。巨大的輻射壓將恒星表面物質吹出，形成了強烈的星風，速度可達每秒上千公里。星風與周圍星際介質發(fā)生碰撞，星風之間也猛烈碰撞，致使這里變成了強激波、強湍流的極端區(qū)域。

“這里很可能就是超高能宇宙線誕生的地方。”李驄說。他們叫它“超級宇宙線加速源”。

怎么“加速”的？

“現(xiàn)有模型還解釋不了”

如果天鵝座恒星形成區(qū)是一個“超級宇宙線加速源”，那么，這些大質量恒星星團是怎么產(chǎn)生超高能宇宙線并讓它們加速的呢？

“現(xiàn)有模型還解釋不了這個現(xiàn)象?！闭撐耐ㄓ嵶髡摺ⅰ袄鳌笔紫茖W家曹臻院士告訴《中國科學報》，“人們需要尋找新的模型?！?/p>

現(xiàn)有的理論模型無法解釋宇宙線的產(chǎn)生和加速機制，同樣也難以解釋宇宙線的傳播擴散機制。

以往，天體物理學家認為，星際空間很“空”，宇宙線一旦被注入星際空間，就會像墨汁滴進清水一般迅速擴散開。但“拉索”的研究結果顯示，宇宙線的擴散速度只是原來想象的1/100。

“如果很快擴散開，那么人類就沒有機會看到這個泡泡了?！辈苷檎f。

合作組成員柳若愚推斷，宇宙線的擴散速度可能受到了星際磁場的影響，這意味著星際磁場的分布不僅不均勻，而且不規(guī)則程度極高?！爸劣跒槭裁创艌鰰纬蛇@樣的分布，則成為一個更加復雜的問題。”柳若愚說。

在推翻現(xiàn)有理論模型的同時，“拉索”也為天體物理學家建立新模型提供了線索。

2023年10月9日，“拉索”在《物理評論快報》上發(fā)表論文，提出宇宙中彌散的宇宙線能譜和空間分布與傳統(tǒng)模型預期存在差異，“傳統(tǒng)模型無法充分描述觀測結果，需要做出重要修改”。論文刊發(fā)至今，已經(jīng)被引用了幾十次，學界正在重新審視宇宙線和星際介質相互作用的模型。

“這一次，我們看到的泡泡，給大家提供了一個可能的解釋。”曹臻說，“泡內(nèi)超級宇宙線加速器可能使得周邊星際空間的宇宙線密度顯著高于銀河系內(nèi)的宇宙線平均水平，其所影響的空間范圍甚至遠超目前觀測到的氣泡尺度。”

看到“拉索”的新成果時，意大利國家天體物理研究所（INAF）教授Elena Amato感慨：“這些結果不僅對銀河系彌散伽馬輻射的理解有重要影響，還直接關系到怎樣描述宇宙線在銀河系內(nèi)的傳播過程。”

提升能力

“逼近宇宙線起源問題的終極答案”

宇宙線從發(fā)現(xiàn)至今，已有100多年歷史，但是人類始終沒能成功闡釋宇宙線“從哪里來”“怎么來的”等問題。

“我們將尋找更多的超級宇宙線加速源。隨著觀測時間的增加，‘拉索’有可能探測到更多的千萬億電子伏特乃至更高能量宇宙線的加速源，有望揭開銀河系宇宙線起源之謎?！辈苷檎f。

“拉索”是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施，也是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山。從2019年4月起，“拉索”邊建設、邊運行，至2021年7月正式建成并穩(wěn)定運行。目前，已有32個國內(nèi)外天體物理研究機構成為“拉索”國際合作組成員單位，成員約280人。

曹臻告訴《中國科學報》，未來，“拉索”國際合作組還希望摸清與宇宙線起源相關的更基礎的問題。

“要往‘里面’走，這里面涉及的基礎物理問題非常豐富，例如，宇宙線粒子到底是怎么被加速的?！辈苷檎f，“要解決這些問題，不僅需要‘拉索’增強現(xiàn)有探測能力，也需要其他的觀測裝置來幫忙。”

“它存在一個小問題——空間分辨能力不夠強，這會對它將來進一步探測宇宙線具體加速過程造成限制。”曹臻說，為進一步提升空間分辨能力，“拉索”已規(guī)劃再建32臺望遠鏡，以“更清晰地識別超高能宇宙線的發(fā)射位置，逼近宇宙線起源問題的終極答案”。

與此同時，曹臻介紹，中國科學院正在組織建制化的研究體系，將“拉索”、中國天眼、愛因斯坦探針衛(wèi)星、“銀河畫卷”巡天計劃等聯(lián)合起來，形成有組織的合作團隊，從各個層面深入探尋宇宙線的起源。

除了提升探測能力之外，“拉索”團隊也在努力提升理論分析能力。

“大量新的現(xiàn)象，現(xiàn)有模型解釋不了，這絕對不是把原來的舊東西翻出來，隨便比畫比畫就能搞定的。所以，這是一項長期工作?！辈苷檎f。

他介紹，為了發(fā)展新理論，“拉索”團隊正在組織全國科研力量開展宇宙線理論研究?！啊鳌献鹘M不但要把實驗做好，還要把理論研究做得更深入，讓‘拉索’的成果真正寫進教科書，寫到人類發(fā)展的歷史中?！辈苷檎f。

相關論文信息：

https://doi.org/10.1016/j.scib.2023.12.040

https://doi.org/10.1038/s41586-021-03498-z

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.131.151001