宇宙電磁輻射提供了人類仰望星空的最有效的天文窗口,，它涵蓋了從射電,、紅外、可見光,、紫外,、X射線到伽馬射線的高達(dá)二十多個(gè)量級(jí)的寬廣能量范圍。一般地,，隨著光子能量升高,，其輻射機(jī)制對(duì)應(yīng)更加劇烈的天體活動(dòng)以及更為極端的天體物理環(huán)境。伽馬射線踞于宇宙電磁輻射能譜的最高端,，為人類研究極端條件下的高能物理過程及天體演化提供了探針,。二十世紀(jì)末人類憑借多個(gè)成像大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)歷經(jīng)十多年時(shí)間成功打開了甚高能段（VHE：1011-1014電子伏特）這一當(dāng)時(shí)最高能量的天文窗口，獲得了豐碩的科學(xué)成果,。超高能（UHE：>1014電子伏特）伽馬天文是迄今人類觀測(cè)宇宙的最后一個(gè),、也是最高能量的電磁輻射窗口，由于超高能伽馬射線數(shù)量極少而被淹沒在巨大的宇宙線背景中,，對(duì)超高能伽馬射線的探測(cè)一直是人類面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn),，成為未曾開墾的處女地。
國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）”（總投資約12億元）于2017年11月開工,，2019年底1/2規(guī)模的平方公里陣列（KM2A）建成并投入科學(xué)運(yùn)行,，不到一年的時(shí)間里便以高顯著性觀測(cè)到12個(gè)超高能伽馬射線源，開啟了超高能伽馬天文這一人類觀測(cè)宇宙的最高能量電磁輻射窗口,，相關(guān)科學(xué)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為題在《自然》（Nature）上正式發(fā)表,。
超高能伽馬射線來自于比它能量更高的粒子，故可以用來示蹤這些高能粒子的起源,、加速以及傳播機(jī)制,，也即可以用來發(fā)現(xiàn)并研究宇宙高能粒子加速器，是破解高能宇宙線起源這一“世紀(jì)之謎”的金鑰匙,。然而探測(cè)超高能伽馬射線非常困難,，一個(gè)超高能伽馬射線探測(cè)器必須同時(shí)具備下面五個(gè)條件：
大面積：超高能伽馬射線非常稀少，一平方千米的面積上每天只能接收到一兩個(gè),，要捕捉它們需要在至少一平方千米的面積上布下“天羅地網(wǎng)”,；
強(qiáng)大的伽馬/背景區(qū)分能力：這些稀有的伽馬事例混雜在成千上萬倍的宇宙線背景中,，探測(cè)器要具有火眼金睛，準(zhǔn)確識(shí)別伽馬事例和宇宙線背景事例,，才能夠大海撈針般從成千上萬的背景中準(zhǔn)確挑出稀有的伽馬射線事例,；
高海拔：探測(cè)超高能伽馬射線要到海拔4000-5000米的雪域高原，這里空氣稀薄,，呼吸困難,，卻是探測(cè)超高能伽馬射線的最佳場所；
大視場：一雙火眼金睛只能看一部分天空,，要有千萬雙盯住整個(gè)天空,，不丟掉一個(gè)寶貴的事例；
全天候：這些火眼金睛不能眨,，要日日夜夜風(fēng)風(fēng)雨雨中不眠不休,，才能夠捕捉到所有的事例；
LHAASO站址平均海拔4410米,，KM2A由品字形排布在1.36平方千米面積上的5195臺(tái)電磁粒子探測(cè)器（ED）組成的陣列捕捉這些天外來客,，總面積達(dá)4萬平米的1188臺(tái)繆子探測(cè)器（MD）則負(fù)責(zé)從上萬個(gè)事例中準(zhǔn)確挑出其中的一個(gè)伽馬事例，整個(gè)陣列可以全天候監(jiān)視整個(gè)天空,。探測(cè)超高能伽馬射線KM2A比歐洲在建的切倫科夫望遠(yuǎn)鏡陣列（CTA）靈敏15倍,。
一個(gè)嶄新的,、尤其是最高能量的電磁輻射窗口的開啟,，必將為人類帶來浩瀚宇宙的諸多新奇科學(xué)發(fā)現(xiàn)，引領(lǐng)人類去揭示新的物理規(guī)律,。KM2A局部陣列不到一年時(shí)間的觀測(cè)便發(fā)現(xiàn)如此多的天體具有超高能輻射,，其能譜并非像科學(xué)家此前預(yù)期的那樣由于缺乏加速超高能粒子的能力在高能端呈現(xiàn)明顯截?cái)啵@對(duì)現(xiàn)有的理論模型提出了很強(qiáng)的挑戰(zhàn),；KM2A迄今觀測(cè)到的最高能量光子超過1 PeV（1015電子伏特）,，揭示了人類居住的銀河系中存在科學(xué)家長期尋找的PeV粒子加速器（PeVatron），人類從此找到了研究超高能粒子加速及輻射機(jī)制的天然實(shí)驗(yàn)室,；有趣的是,，這個(gè)人類迄今所觀測(cè)到的最高能量的光子來自大名鼎鼎的天鵝座“繭殼”（Cocoon），長期以來科學(xué)家們相信它是一個(gè)超高能宇宙線源,，但一直沒有找到確鑿的證據(jù),，這一PeV光子的發(fā)現(xiàn)為回答這一問題帶來了曙光，隨著統(tǒng)計(jì)量的增大,，KM2A將很快給出關(guān)鍵證據(jù),。
LHAASO現(xiàn)在的科學(xué)發(fā)現(xiàn)只是超高能伽馬天文的冰山一角。2020年底3/4規(guī)模的LHAASO投入了科學(xué)運(yùn)行,，全陣列預(yù)計(jì)于2021年建成并投入科學(xué)運(yùn)行,。假以時(shí)日,，LHAASO將憑借其遠(yuǎn)超現(xiàn)有水平的靈敏度向高能宇宙線起源這一“世紀(jì)之謎”發(fā)起沖擊，并開展相關(guān)的高能輻射,、天體演化,、暗物質(zhì)分布等前沿科學(xué)研究。
高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO,，2020/11）
KM2A測(cè)得的超高能伽馬源天圖（上）及銀道面局部放大圖（下）,。
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高海拔宇宙線觀測(cè)站及其核心科學(xué)目標(biāo)
高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）是以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山,，占地面積約1.36平方公里,，是由5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列（簡稱KM2A）、78000平方米水切倫科夫探測(cè)器,、18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯(cuò)排布組成的復(fù)合陣列,。LHAASO采用這四種探測(cè)技術(shù)，可以全方位,、多變量地測(cè)量宇宙線,。
高海拔宇宙線觀測(cè)站的核心科學(xué)目標(biāo)是：探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化和高能天體活動(dòng)，并尋找暗物質(zhì),；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內(nèi)部的伽馬射線源,，精確測(cè)量它們從低于1TeV（1萬億電子伏，也叫“太電子伏”）到超過1 PeV（1000萬億電子伏,，也叫“拍電子伏”）的寬廣能量范圍內(nèi)的能譜,；測(cè)量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線加速和傳播的規(guī)律,，探索新物理前沿,。
拍電子伏宇宙加速器和PeV光子
“拍電子伏宇宙加速器（PeVatron）”周圍產(chǎn)生的“超高能伽馬光子”信號(hào)非常弱，即便是天空最為明亮且被稱為“伽馬天文標(biāo)準(zhǔn)燭光”的蟹狀星云,，發(fā)射出來的能量超過1 PeV的光子在一年內(nèi)落在一平方公里的面積上也就1到2個(gè),，而這1到2個(gè)光子還被淹沒在幾萬個(gè)通常的宇宙線事例之中。LHAASO的平方公里探測(cè)陣列內(nèi)的1188個(gè)繆子探測(cè)器專門用于排除非光子信號(hào),，使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)器,。借助這前所未有的靈敏度，1/2規(guī)模的KM2A僅用了11個(gè)月就探測(cè)到并證認(rèn)了來自蟹狀星云的約1 PeV的伽馬光子,。不僅如此,，KM2A還在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個(gè)類似的源，他們都具有超高能光子輻射,，其能譜穩(wěn)定地延伸到PeV附近,，其中探測(cè)到的伽馬光子的最高能量達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.4 PeV。由此可見,， LHAASO的此次科學(xué)成果在宇宙線起源的研究進(jìn)程中具有里程碑意義,。具體來說有以下三個(gè)方面的科學(xué)突破：
1）揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俪^1 PeV的宇宙加速器,。在這次觀測(cè)中，LHAASO所能夠有效觀測(cè)到的伽馬射線源中（觀測(cè)中超過5倍標(biāo)準(zhǔn)偏差的超出視為有效觀測(cè)）,，幾乎所有的輻射能譜都穩(wěn)定延伸到幾百TeV且沒有明顯截?cái)?，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過1 PeV。這突破了當(dāng)前流行的理論模型所宣稱的銀河系宇宙線加速PeV能量極限,。同時(shí),，LHAASO發(fā)現(xiàn)銀河系內(nèi)大量存在PeV宇宙加速源，也向著解決宇宙線起源這一科學(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步,。
2）開啟“超高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代,。1989年，亞利桑那州惠普爾天文臺(tái)成功發(fā)現(xiàn)了首個(gè)具有0.1 TeV以上伽馬輻射的天體,，標(biāo)志著“甚高能”伽馬射線天文學(xué)時(shí)代的開啟,，在隨后的30年里，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)超過兩百多個(gè)“甚高能”伽馬射線源,。直到2019年,人類才探測(cè)到首個(gè)具有“超高能”伽馬射線輻射的天體,。出人意料的是，僅基于1/2規(guī)模的LHAASO不到1年的觀測(cè)數(shù)據(jù),，就將“超高能”伽馬射線源數(shù)量提升到了12個(gè),。
隨著LHAASO的建成和持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)積累，可以預(yù)見這一最高能量的天文學(xué)研究將給我們展現(xiàn)一個(gè)充滿新奇現(xiàn)象的未知的“超高能宇宙”,，為探索宇宙極端天體物理現(xiàn)象提供豐富的數(shù)據(jù),。由于宇宙大爆炸產(chǎn)生的背景輻射無所不在，它們會(huì)吸收高于1 PeV的伽馬射線,。到了銀河系以外,，即使產(chǎn)生了PeV伽馬射線，由于背景輻射光子的嚴(yán)重吸收,，我們也接受不到這些PeV伽馬射線。LHAASO打開銀河系PeV輻射探測(cè)窗口,，對(duì)于研究遙遠(yuǎn)的宇宙也具有特殊意義,。
3）能量超過1 PeV的伽馬射線光子首現(xiàn)天鵝座區(qū)域和蟹狀星云。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,，長期以來一直是伽馬天文發(fā)展的強(qiáng)大驅(qū)動(dòng)力。事實(shí)上,，上個(gè)世紀(jì)80年代伽馬天文學(xué)爆發(fā)式發(fā)展的一個(gè)重要?jiǎng)訖C(jī)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)最亮的區(qū)域，擁有多個(gè)大質(zhì)量恒星星團(tuán),，大質(zhì)量恒星的壽命只有幾百萬年,，因此星團(tuán)內(nèi)部充滿了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，是理想的宇宙線加速場所,，被稱為“粒子天體物理實(shí)驗(yàn)室”,。
LHAASO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)本來就備受關(guān)注的區(qū)域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區(qū),。這個(gè)區(qū)域?qū)⑹荓HAASO以及相關(guān)的多波段,、多信使天文觀測(cè)設(shè)備關(guān)注的焦點(diǎn)，有望成為解開“世紀(jì)之謎”的突破口,。
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楚輻射機(jī)制的標(biāo)準(zhǔn)伽馬射線源，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,，LHAASO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)。
技術(shù)創(chuàng)新
LHAASO開發(fā)了遠(yuǎn)距時(shí)鐘同步技術(shù),，確保整個(gè)陣列的每個(gè)探測(cè)器同步精度可達(dá)亞納秒水平,；在高速前端信號(hào)數(shù)字化、高速數(shù)據(jù)傳輸,、大型計(jì)算集群協(xié)助下滿足了多種觸發(fā)模式并行等尖端技術(shù)要求,；首次大規(guī)模使用硅光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進(jìn)探測(cè)技術(shù),，大大提高了伽馬射線測(cè)量的空間分辨率,，達(dá)到了更低的探測(cè)閾能，使人類在探索更深的宇宙,、更高能量的射線等方面,，都達(dá)到前所未有的水平。LHAASO也為開展大氣,、環(huán)境,、空間天氣等前沿交叉科學(xué)研究提供了重要實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，并成為多邊國際合作共同開展高水平研究的科學(xué)基地,。
中國的宇宙線研究發(fā)展歷程
中國的宇宙線實(shí)驗(yàn)研究經(jīng)歷了三個(gè)階段,，目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室。高山實(shí)驗(yàn)?zāi)軌虺浞掷么髿庾鳛樘綔y(cè)介質(zhì),，在地面進(jìn)行觀測(cè),，探測(cè)器規(guī)模可遠(yuǎn)大于大氣層外的天基探測(cè)器,。由于超高能量宇宙線數(shù)量稀少,，這是唯一的觀測(cè)手段,。1954年，中國第一個(gè)高山宇宙線實(shí)驗(yàn)室在海拔3180米的云南東川落雪山建成,。1989年,，在海拔4300米的西藏羊八井啟動(dòng)了中日合作的宇宙線實(shí)驗(yàn)；2000年,，啟動(dòng)中意ARGO實(shí)驗(yàn),。
2009年，在北京香山科學(xué)會(huì)議上,，曹臻研究員提出在高海拔地區(qū)建設(shè)大型復(fù)合探測(cè)陣列“高海拔宇宙線觀測(cè)站”的完整構(gòu)想,。LHAASO的主體工程于2017年開始建設(shè)，2019年4月完成1/4的規(guī)模建設(shè)并投入科學(xué)運(yùn)行,。2020年1月,，LHAASO完成了1/2規(guī)模的建設(shè)并投入運(yùn)行，同年12月完成3/4規(guī)模并投入運(yùn)行,。2021年,，LHAASO陣列將全部建成，成為國際領(lǐng)先的超高能伽馬探測(cè)裝置,，投入長期運(yùn)行,，從多個(gè)方面展開宇宙線起源的探索性研究。
來源：中國科學(xué)院高能物理研究所
