中国「拉索」观测站：助力破解宇宙线起源世纪之谜

一千年前，宋朝的天文官发现了这颗超新星，留下了最精确、最详实、最完整的天文记录；一千年后，中国科学院的科学家发现了能量最高的伽马光子，开启了宇宙线观测的超高能伽马天文学时代。

作者：哈顿

公元 1054 年 7 月 4 日（宋代至和元年的五月己丑），凌晨四点左右，地平线泛着些许微黄的光芒。天快亮了，一阵凉爽的仲夏夜风吹过，一位负责观测天象的官员不自觉地打了个哈欠。正当天文官们准备结束一整夜的天象观测、收拾东西下班之时，天关星（金牛座 ζ 星）的附近突然出现了奇怪的光芒，一颗极其明亮的光点冒了出来，如同划破寂静夜空的惊雷一般把司天监官员的困意消散得一干二净。

“是客星！非其常有、偶见于天的客星！”[1] 负责巡天观测的天文官马上敏锐地意识到，这很有可能是颗百年难遇的客星，就是那种在空中出现一段时间后消失、如同作客一般的星星。这颗客星非同一般，在接下来的 23 天中，它光芒四射、亮度可比金星，甚至在白天也可见，在夜空中可见的时间更是长达 643 天。

当年宋朝人发现的这颗星星史称天关客星，现在被我们称为超新星，指的是那种在演化末期发生剧烈爆炸的恒星。当时，欧洲的天文学家们在中世纪的宗教管制下基本上没有留下什么重要的文献，而宋朝的天文和历史学家们则留下了精确、详实、完整、精美的天文记录，为现代天文学研究超新星提供了重要依据。我国古代的天文观测记录曾经长期全球领先。

1054 超新星（天官客星）遗迹——蟹状星云（来源：wiki）

2020 年，当年的客星经过千年演化已经变成了蟹状星云，一片非常明亮的高能辐射源。在四川省稻城县，海拔达到 4410 米、空气稀薄、人迹罕至的海子山上，有一个面积达到 1.36 平方公里的圆盘，它就是我国国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站（LHAASO，Large High Altitude Air Shower Observatory），简称拉索。4 月初的一天，拉索对准了宋朝天文学家观测的同一片星空。接着，当中国科学院高能物理所的副研究员王玲玉像往常一样仔细地检查着拉索收到的数据时，她很快有了不寻常的发现。异常的信号预示着蟹状星云方向上有位“超级游侠”：曾经有一颗超高能粒子经过 6500 万年的飞行以光速撞向地球，与大气分子发生了多次碰撞，能量之高、稀有程度皆前所未有。经过反复检查，她调整了下呼吸，兴奋地转过身对同事们说，“拉索好像发现了超高能伽马光子，这可能会是个震惊世界的发现！”

那么，这个跨越千年的发现会是什么呢？咱们还得从先从宇宙线开始讲起。

宇宙线的“世纪之谜”

如果有一天，当你起床睁开双眼，发现房间正在被机枪扫射，子弹横飞，你还会淡定地揉揉你那睡意朦胧的眼睛，然后迷迷糊糊地找裤子和袜子吗？显然不可能，在生与死的抉择面前，到底是光着身子还是穿着衣服出门恐怕已经不重要了。如果我说，这样的事情每天都发生在我们身边，请一定不要惊讶。事实上，地球和这个房间差不多，也处于一片枪林弹雨之中：来自遥远外太空四面八方的各种高能粒子，无时无刻不在像子弹一样以接近光速的速度轰击着地球。

这些来自外太空的粒子就称为宇宙线，它有两个非常明显的特征：一是能量特别高，少量粒子的能量可以达到 1020 电子伏特。相比之下，室温下空气分子的能量只有 0.04 电子伏特。人类目前最强大的加速器——欧洲大型强子对撞机（LHC）只能将粒子加速到 1013 电子伏特。1991 年，人们在美国犹他州的上空发现了一颗能量如此之高的粒子，它可能是颗质子，速度几乎等同于光速，达到光速的 99.9 999 999 999 999 999 999 9951% [2]，动能达到了 3×1020 电子伏。小小的单个粒子中所蕴含的能量竟然相当于一颗时速 100 公里的棒球。因此这个粒子也被戏称为“Oh-My-God particle”（“额滴神”粒子）。

宇宙线的第二个特征是其中绝大多数都是带电粒子，氢原子核、氦原子核以及其它重元素的原子核的占比达到了 99%，它们都带正电，剩下的 1% 中绝大多数是带负电的电子，只有占比非常小的 γ 射线和中微子不带电。

宇宙线的能量高，还带电，那身处于地球的我们岂不是很危险？事实上，我们生活的地方还是很安全的。一方面，能量达到 1020 电子伏特的宇宙线粒子占比非常小，平均算下来一个人一辈子也遇不到一次。能量越高的宇宙线粒子越稀少，大多数粒子的能量要低得多。另一方面，地球的大气层和磁场起到了保护作用，大气层类似于“防弹衣”，宇宙线高能粒子会与大气分子发生相互作用，产生能量较小的次级粒子，就像大雨滴变成小雨滴一样，威力大幅减弱；磁场类似于“干扰器”，大部分宇宙线高能粒子都是带电的，会因为地球磁场的作用而改变方向，向地球的两级偏转，威力显然不如直射地表、长驱直入那般厉害。

自从上个世纪被发现后，100 多年的时间中宇宙线的研究取得了大量成果，共诞生了 5 个诺贝尔奖。尽管如此，人类对宇宙线的认识还远远没有到“熟悉”的程度。直到今天，在这些宇宙“超级游侠”从何而来，如何形成的问题上还有大片知识盲区，被天文学家称为宇宙线的“世纪之谜”。

这其中一个重要原因在于，超过 99% 的宇宙线的组成是氢原子核、氦原子核、重元素原子核、电子等带电粒子。这些带电粒子太狡猾了，不沿直线传播，原因在于宇宙中到处都有磁场，会影响带电粒子的行进方向，像搅拌机一样让带电粒子像“没头的苍蝇”一般到处乱撞。大部分宇宙线粒子到达地球时，早就已经严重偏离了原来的方向，人们根本无法判断来源方位。这就好比，你明明知道有人把枪口指向了你，却不知道对方是谁、在哪，也不知他是否会在下一秒开枪，想想都觉得后背发凉。

还好，宇宙线中还有不到 1% 是不带电的中性粒子，它们不会在磁场中发生偏转，于是许多人就以伽马射线作为切入点研究宇宙线的起源。伽马射线与我们平常肉眼可见的光线一样都是电磁波，只不过能量要高得多，单个伽马光子的能量可达可见光光子的十亿倍以上。

伽马射线可以作为许多带电粒子加速器的探针，一些超高能量的粒子会与周围物质发生相互作用产生超高能伽马光子被我们探测到，沿直线传播的伽马光子也许会让狡猾的带电粒子“露出马脚”。因此，高能伽马射线是研究宇宙线起源的重要途径，而且能量越高越好，通过研究伽马射线的辐射机制和方向来源，就能确定其对应的天体，分析判断宇宙线的起源方位。

伽马光子大气簇射（来源：拉索官网）

那如何探测高能伽马射线呢？主要有两种方法。一是直接测量，由航天器或高空气球把探测器送到大气层外，这种方法一来探测器不能太重太大，二来高能粒子占比较低，不能获取足量的数据，只能工作在能量相对较低的能区。第二种方法是间接测量，在地面上建造大型的探测阵列，当高能伽马光子进入大气层后，会发生大气簇射，与空气分子发生相互作用并产生很多次级粒子，这些次级粒子会继续与空气分子相互作用产生三级粒子，如此发展，最终产生包括电子、正电子、低能光子等众多的粒子，形成一次“粒子阵雨”降落地面。通过大型阵列接收这些粒子，然后用计算机分析这些粒子雨的特征，就能挖掘出进入大气时高能粒子的特性，比如原初方向、时间分布、能量分布等。

高海拔宇宙线观测站：拉索

1989 年，我国在西藏地区建造了羊八井宇宙线国际观测站。2019 年发现了当时能量最高的宇宙伽马射线 [3]，能量达到 0.45PeV（4.5×1014电子伏），比此前最高的能量还高出 5 倍以上，来源正是蟹状星云。羊八井宇宙线国际观测站在当时已经是世界上最灵敏的伽玛射线天文台了，但由于规模、精度、探测技术的限制，面对更高能量的伽马光子时，羊八井也无能为力了。

羊八井国际宇宙线观测站

早在 2008 年，我国的科学家就提出了建造新一代宇宙线观测站的计划，2015 年获批立项，名为高海拔宇宙线观测站（LHAASO，Large High Altitude Air Shower Observatory），简称拉索。拉索的位置选在了具有“世界屋脊”之称青藏高原的东南边缘。这里海拔 4410 米，空气稀薄，大气的吸收作用相对减少，可以对次级粒子进行更好地探测；地势平坦，水资源丰富，可以提供大量探测所需的超纯净水；交通方便，与稻城亚丁机场距离只有 10 公里，与成都、昆明等大城市距离也不远，有利于各类物资的输送；此外，当地各级政府对此事重视程度非常高，在各方面也给了相当力度的支持。

拉索的主体工程 2017 年 6 月启动，2021 年全部建成，主要由四部分组成：5195 个电磁粒子探测器、由 1188 个缪子探测器组成的阵列、7.8 万平方米水切伦科夫探测器以及 18 台广角切伦科夫望远镜，综合运用多种技术，可以全方位、多变量地探测宇宙线。

超高能伽马光子每年每平方公里上的探测器只能从最亮的地方收到一两个，而且这一两个光子还通常淹没在几十万个宇宙线信号之中，如同大海捞针，探测难度非常高。然而，拉索却有两大致胜法宝，一是巨大的探测面积，达到 1.3 平方千米，是羊八井宇宙线观测站的 20 倍，更是美国同类型观测站 HAWC 的 60 倍；二是火眼金睛一般的鉴别能力，伽马射线和高速带电粒子进入大气层后会产生大气簇射，通常来说高速带电粒子的数量可达高能伽马光子的万倍以上，1188 个位于地下的 36 平米缪子探测器专门用于挑选伽马光子，它的“火眼金睛”具有万里挑一的能力。拉索在超高能段的灵敏度远超其它所有装置，甚至比 2027 年建成的下一代大型切伦科夫成像望远镜 CTA 还要强。

更厉害的地方是，拉索一边建设一边运行，全部工程尚未完工之时，就有了震惊世界的发现。在 1054 年宋朝司天监发现客星（超新星 1054）的地方，6500 光年外的蟹状星云上，拉索发现了能量达到 1.1PeV 的光子。一千年前，宋朝的天文官发现了这颗超新星，留下了最精确、最详实、最完整的天文记录；一千年后，中国科学院的科学家发现了能量最高的伽马光子，开启了宇宙线观测的超高能伽马天文学时代。跨越千年，沧海桑田，恒星变成了星云，不变的是这些发现都领先世界，发现者都是中国人。

这个观测结果证明，至少宇宙线中的一部分来自于像蟹状星云这样的超新星遗迹。遗迹的中心有一颗高速旋转的脉冲星（中子星的一种），它的磁场很强，周围的电子就会因此具有很强的能量，超高能伽马光子的形成原因可能是高能电子把能量传给了光子，让低能的光子也变得高能，这些超高能的光子飞行 6500 年后到达地球被拉索探测到了。

除此之外，拉索还发现了其它 11 个超高能伽玛射线源，全部在银河系内。其中，能量最高的光子达到了 1.4PeV，它来自于天鹅座的一个年轻的大质量恒星星团，那里有着大量的大质量恒星，这些恒星的寿命很短。区区几百万年，星团内部经常发生恒星的生生死死，剧烈的恒星活动可能也是宇宙线绝佳的加速场所。

科学探索永无止境

宇宙线从发现到现在已经过去了 100 年，它们的来源理论上应当与一些高能天体物理现象有关，例如大质量天体碰撞、超新星爆发等，但很长时间以来这些理论都找不到实验和观测证据。拉索的顶级性能和卓越发现可能会验证上述理论，它至少证明了一些事情：年轻的大质量星团、脉冲星风云和超新星遗迹可能是银河系内超高能宇宙线的来源，宇宙线起源这个困扰着科学界的世纪谜题终于有了新的曙光。

2021 年 10 月 24 日拉索通过性能工艺验收，这标志着它已建成，将继续在青藏高原上守候着来自宇宙的信使。出道即 C 位，我们可以继续满怀信心地期待全副武装的它带来更震惊的发现。未来的很多年，这里都将成为宇宙线研究的前沿阵地，揭示更多的秘密。宇宙线不会枯竭，科学探索也将永无止境，未来拉索还会通过新的望远镜阵列提升空间分辨能力，我们对宇宙线的认知也将更进一步接近最终的答案。

信源

[1]出自《宋史·天文志》

[2]https://phys.org/news/2011-06-oh-my-god-particles.html

[3]http://www.xinhuanet.com/politics/2019-10/21/c_1125133408.htm

更多推荐

智利 ALMA 望远镜，宇宙生与死的见证者｜观天神器 10

2022-08-26