◎ 科技日?qǐng)?bào)記者 陸成寬

超高能光子的“加速度”究竟是誰(shuí)給的,？

5月17日,，記者從中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所新聞發(fā)布會(huì)獲悉，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站“拉索”（LHAASO）在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)2個(gè)能量超過(guò)1拍電子伏特（PeV,，1000萬(wàn)億電子伏特）的光子,，這2個(gè)超高能光子分別來(lái)自天鵝座和蟹狀星云，其中1個(gè)光子能量高達(dá)1.4 PeV,。

這是人類(lèi)迄今觀測(cè)到的最高能量光子,，突破了人類(lèi)對(duì)銀河系粒子加速的傳統(tǒng)認(rèn)知，開(kāi)啟了超高能伽馬天文學(xué)的新時(shí)代,。相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表于《自然》雜志,。

對(duì)此，《自然》物理科學(xué)總編輯卡爾·澤梅里斯評(píng)論道,，這些激動(dòng)人心的發(fā)現(xiàn)盡管還很初步,，但卻因?yàn)椴糠纸ǔ傻摹袄鳌钡挠^測(cè)工作才成為可能,。未來(lái)待“拉索”全部完工后,，相信還會(huì)發(fā)現(xiàn)更多這樣的伽馬源。這些發(fā)現(xiàn)讓我們離了解高能宇宙線(xiàn)起源又近了一步,。

“拉索”位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山,，是世界上最大的高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)裝置，目前尚在建設(shè)中,。宇宙線(xiàn)是一種帶電粒子,，在宇宙中以接近光速的速度飛行。

利用“拉索”已經(jīng)建成的1/2規(guī)模探測(cè)裝置11個(gè)月的觀測(cè)數(shù)據(jù),，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了12個(gè)穩(wěn)定伽馬射線(xiàn)源,，它們都具有超高能光子輻射，并且都穩(wěn)定地延伸到PeV附近,，甚至“拉索”還探測(cè)到迄今人類(lèi)從未見(jiàn)過(guò)的1.4 PeV的最高能量伽馬光子,。

“這些發(fā)現(xiàn)表明銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ蛹铀僦聊芰砍^(guò)1 PeV的加速器,，并不存在一個(gè)過(guò)去預(yù)言的銀河系宇宙線(xiàn)加速源能量極限，打開(kāi)了'超高能伽馬’這一高能天文窗口,?！?/strong>中科院高能所研究員、“拉索”首席科學(xué)家曹臻說(shuō),。

此前,，銀河系內(nèi)的宇宙線(xiàn)加速源存在能量極限是個(gè)“常識(shí)”，過(guò)去預(yù)言的極限就在1PeV附近,，導(dǎo)致伽馬射線(xiàn)能譜在0.1 PeV以上有“截?cái)唷爆F(xiàn)象,。“拉索”的發(fā)現(xiàn)完全突破了這個(gè)“極限”，觀測(cè)到的伽馬射線(xiàn)能譜在0.1 PeV以上并有沒(méi)有“截?cái)唷爆F(xiàn)象,，確定了銀河系宇宙線(xiàn)加速源不存在PeV以下的加速極限,。

“'拉索’的新發(fā)現(xiàn)表明，以天鵝座恒星形成區(qū)的天體群,、蟹狀星云等為代表的年輕的大質(zhì)量星團(tuán),、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系超高能宇宙線(xiàn)起源的最佳候選天體,，這就向著解決宇宙線(xiàn)起源這一科學(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步,。”曹臻說(shuō),。

PeV光子的探測(cè)是伽馬天文學(xué)的一座里程碑,，承載著伽馬天文界的夢(mèng)想，長(zhǎng)期以來(lái)一直是伽馬天文發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力,。

事實(shí)上,，上世紀(jì)80年代伽馬天文學(xué)爆發(fā)式發(fā)展一個(gè)重要的誘因就是挑戰(zhàn)PeV光子極限。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮區(qū)域之一,，擁有多個(gè)具有大量大質(zhì)量恒星的星團(tuán),，大質(zhì)量恒星的壽命只有百萬(wàn)年的量級(jí)，因此星團(tuán)內(nèi)部充滿(mǎn)大量恒星生生死死的劇烈活動(dòng),，具有復(fù)雜的強(qiáng)激波環(huán)境,，是理想的宇宙線(xiàn)加速場(chǎng)所，被稱(chēng)為“粒子天體物理實(shí)驗(yàn)室”,。

“拉索”在天鵝座恒星形成區(qū)首次發(fā)現(xiàn)PeV伽馬光子,，使得這個(gè)本來(lái)就備受關(guān)注的區(qū)域成為超高能宇宙線(xiàn)源的最佳候選者。該區(qū)域以后自然是“拉索”以及相關(guān)的多波段觀測(cè)乃至于多信使天文學(xué)的巨大熱門(mén),，有望成為解開(kāi)“世紀(jì)之謎”的突破口,。

同時(shí)，歷史上對(duì)蟹狀星云大量的觀測(cè)研究，使之成為幾乎唯一具有清晰輻射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)伽馬射線(xiàn)源,，跨越22個(gè)量級(jí)的光譜精確測(cè)量清楚地表明其電子加速器的標(biāo)志性特征,，然而，“拉索”測(cè)到的超高能光譜,，特別是PeV能量的光子,，嚴(yán)重挑戰(zhàn)了這個(gè)高能天體物理的“標(biāo)準(zhǔn)模型”，甚至于對(duì)更加基本的電子加速理論提出了挑戰(zhàn),。

這一發(fā)現(xiàn)離不開(kāi)海量數(shù)據(jù)的支撐以及高效的數(shù)據(jù)處理平臺(tái),。

“拉索”實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)產(chǎn)生率達(dá)到每秒10000兆比特以上，每年365天不間斷運(yùn)行,。為了高效管理和分析這些海量的科學(xué)數(shù)據(jù),，國(guó)家高能物理科學(xué)數(shù)據(jù)中心為“拉索”建立了完整的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集,、匯交,、存儲(chǔ)、共享及處理,?！袄鳌睌?shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)由稻城海子山、北京高能所雙數(shù)據(jù)中心以及合作單位的分布式計(jì)算站點(diǎn)組成,。

“到目前為止,，“拉索”積累的數(shù)據(jù)總量達(dá)到10PB，文件數(shù)達(dá)到2億個(gè),?！眹?guó)家高能物理科學(xué)數(shù)據(jù)中心主任陳剛介紹。

高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站“拉索”

建立在“拉索”觀測(cè)基地的稻城海子山數(shù)據(jù)中心海拔4410米,，是全球最高的數(shù)據(jù)中心之一,。雖然全年平均氣溫只有1度，但是空氣稀薄,，傳統(tǒng)的風(fēng)冷制冷技術(shù)存在CPU局部過(guò)熱問(wèn)題,，會(huì)導(dǎo)致CPU降頻或者死機(jī)。浸泡式液冷技術(shù)需要采用特定的硬件及泵站,，維護(hù)復(fù)雜,，不能滿(mǎn)足無(wú)人值守的需要,。

“為此,，我們采用中科院電工所先進(jìn)的表貼式無(wú)泵自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，并將熱量排放到裝配大廳,，實(shí)現(xiàn)余熱利用,，綠色節(jié)能，無(wú)人值守，維護(hù)方便,，高海拔數(shù)據(jù)中心的創(chuàng)新運(yùn)行模式有力保障了'拉索’數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)以及在站數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行,。”陳剛說(shuō)道,。