高能宇宙線從哪里來？這是一個世紀之謎。近日，我國高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）的新發現，讓我們離解開這一謎題更近了一步。
2月26日，《科學通報》以封面文章的形式正式發表了一項關于高能宇宙線起源的重要成果。利用“拉索”的觀測數據，我國科研人員在天鵝座恒星形成區發現了一個巨型超高能伽馬射線泡狀結構，在國際上首次找到能量高于1億億電子伏特的宇宙線的起源天體。
宇宙線是來自宇宙空間的高能帶電粒子，主要由質子和多種元素的原子核組成。由于它攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環境等重要科學信息，因此，研究宇宙線及其起源是探索宇宙的重要途徑。
然而，自1912年發現宇宙射線以來，人類卻始終沒有找到高能宇宙線的起源。“這是一個世紀謎題。2004年，美國國家科學技術委員會將其列為21世紀11個最前沿的科學問題之一。”論文共同通訊作者、中國科學院高能物理研究所曹臻院士說。
那么，高能宇宙線來自哪里，為何這么難以判斷？曹臻解釋道：“主要是因為宇宙射線帶電荷，它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的影響而發生偏轉，到達地球時的方向已經不再指向源頭了，無法通過宇宙線的方向來尋找這種天體源。”
幸運的是，宇宙線在其源頭被加速后，可能與附近的物質發生碰撞，產生能量約為母體宇宙線能量十分之一的伽馬光子。由于伽馬光子不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測到的伽馬光子所來的方向就是該天體源方向，科學家可以借此尋找宇宙線的起源位置。
科學家測量發現，宇宙線的能譜在1000萬億電子伏附近會出現一個拐折結構。這個拐折結構因形狀類似膝關節，被稱為宇宙線能譜的“膝”。科學家們認為，能量比“膝”低的宇宙線起源于銀河系內的天體；而“膝”的存在也表明，銀河系大部分的宇宙線源加速質子的能量極限在1000萬億電子伏左右。
但是，究竟何種天體能把宇宙線能量加速到比“膝”高，從而形成“膝”這種能譜結構，仍然是一個未解之謎，也是近年來宇宙線研究中最引人關注的課題之一。
此次，“拉索”在天鵝座恒星形成區發現的巨型超高能伽馬射線泡狀結構內，就有多個能量超過1000萬億電子伏的伽馬光子分布其中，能量最高達到2000萬億電子伏。
“一般來說，產生能量為2000萬億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。”曹臻說，因此，這表明泡狀結構內部存在超級宇宙線加速器，源源不斷地產生能量至少達到2億億電子伏的高能宇宙線粒子，明顯超過了“膝”的能量，并注入星際空間。
“我們發現，位于巨型超高能伽馬射線泡中心附近的大質量恒星星團，最可能是高能宇宙線的起源天體。”論文共同通訊作者、中國科學院高能物理研究所副研究員李驄說。
這個星團由很多表面溫度超過35000攝氏度的恒星和表面溫度超過15000攝氏度的恒星組成。這些恒星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的碰撞以及星風之間的猛烈碰撞產生了強激波、強湍流的極端環境，成為強大的粒子加速器。
曹臻表示，這是迄今人們能夠認證的第一個高能宇宙線加速源。隨著觀測時間的增加，“拉索”將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，有望解決銀河系宇宙線起源之謎。
高能宇宙線從哪里來？這是一個世紀之謎。近日，我國高海拔宇宙線觀測站“拉索”（LHAASO）的新發現，讓我們離解開這一謎題更近了一步。
2月26日，《科學通報》以封面文章的形式正式發表了一項關于高能宇宙線起源的重要成果。利用“拉索”的觀測數據，我國科研人員在天鵝座恒星形成區發現了一個巨型超高能伽馬射線泡狀結構，在國際上首次找到能量高于1億億電子伏特的宇宙線的起源天體。
宇宙線是來自宇宙空間的高能帶電粒子，主要由質子和多種元素的原子核組成。由于它攜帶著宇宙起源、天體演化、太陽活動及地球空間環境等重要科學信息，因此，研究宇宙線及其起源是探索宇宙的重要途徑。
然而，自1912年發現宇宙射線以來，人類卻始終沒有找到高能宇宙線的起源。“這是一個世紀謎題。2004年，美國國家科學技術委員會將其列為21世紀11個最前沿的科學問題之一。”論文共同通訊作者、中國科學院高能物理研究所曹臻院士說。
那么，高能宇宙線來自哪里，為何這么難以判斷？曹臻解釋道：“主要是因為宇宙射線帶電荷，它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的影響而發生偏轉，到達地球時的方向已經不再指向源頭了，無法通過宇宙線的方向來尋找這種天體源。”
幸運的是，宇宙線在其源頭被加速后，可能與附近的物質發生碰撞，產生能量約為母體宇宙線能量十分之一的伽馬光子。由于伽馬光子不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測到的伽馬光子所來的方向就是該天體源方向，科學家可以借此尋找宇宙線的起源位置。
科學家測量發現，宇宙線的能譜在1000萬億電子伏附近會出現一個拐折結構。這個拐折結構因形狀類似膝關節，被稱為宇宙線能譜的“膝”。科學家們認為，能量比“膝”低的宇宙線起源于銀河系內的天體；而“膝”的存在也表明，銀河系大部分的宇宙線源加速質子的能量極限在1000萬億電子伏左右。
但是，究竟何種天體能把宇宙線能量加速到比“膝”高，從而形成“膝”這種能譜結構，仍然是一個未解之謎，也是近年來宇宙線研究中最引人關注的課題之一。
此次，“拉索”在天鵝座恒星形成區發現的巨型超高能伽馬射線泡狀結構內，就有多個能量超過1000萬億電子伏的伽馬光子分布其中，能量最高達到2000萬億電子伏。
“一般來說，產生能量為2000萬億電子伏的伽馬光子，需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。”曹臻說，因此，這表明泡狀結構內部存在超級宇宙線加速器，源源不斷地產生能量至少達到2億億電子伏的高能宇宙線粒子，明顯超過了“膝”的能量，并注入星際空間。
“我們發現，位于巨型超高能伽馬射線泡中心附近的大質量恒星星團，最可能是高能宇宙線的起源天體。”論文共同通訊作者、中國科學院高能物理研究所副研究員李驄說。
這個星團由很多表面溫度超過35000攝氏度的恒星和表面溫度超過15000攝氏度的恒星組成。這些恒星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的碰撞以及星風之間的猛烈碰撞產生了強激波、強湍流的極端環境，成為強大的粒子加速器。
曹臻表示，這是迄今人們能夠認證的第一個高能宇宙線加速源。隨著觀測時間的增加，“拉索”將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，有望解決銀河系宇宙線起源之謎。
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