2025-06-23 09:30:09
【导语】近日，我国重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站（拉索，LHAASO）发布了“银河系迷你巡天”专题研究成果。凭借迄今最灵敏的观测能力，拉索首次揭示了银河系内超高能伽马射线的壮丽图景，为探索宇宙线起源、传播及极端天体物理过程提供了全新视角。这一系列发现标志着人类正式迈入超高能伽马天文学研究的新纪元，不仅挑战了传统理论，更为解开宇宙线的百年谜题带来了前所未有的曙光。
近日，我国重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站（拉索，LHAASO）发布"银河系迷你巡天"专题研究成果，以迄今最灵敏的观测能力揭示了银河系内超高能伽马射线的壮丽图景。这一系列发现为探索宇宙线起源、传播及极端天体物理过程提供了全新视角，标志着人类进入超高能伽马天文学研究的新纪元[1-6]。
图1 银河系聚集着丰富的靶物质与宇宙线加速器，LHAASO正在揭开银河系宇宙线的藏宝图。
宇宙线：百年未解之谜
宇宙线是来自宇宙空间的相对论性带电粒子，作为除陨石外少数能抵达地球的系外物质样本，承载着超新星遗迹、脉冲星风云、年轻大质量星团等极端天体的物理信息。其最高能量达人造加速器极限的十亿倍，暗示宇宙中存在天然"超级加速器"。这些加速器在哪里？是什么？通过什么手段加速粒子？被加速的粒子如何到达地球？这些问题从宇宙线发现以来的一百年间， 一直是难解的谜题。而宇宙线起源问题被美国国家科学技术委员列为21世纪11个最前沿的科学问题。
要了解宇宙线从哪里来并不容易，因为宇宙线作为带电粒子，在到达地球时早已被星际空间中混乱的磁场打乱了方向。破解之道在于捕获宇宙线与星际物质碰撞产生的中性伽马光子——它们如同宇宙线方位的"指针"，不受磁场偏转影响。
LHAASO：宇宙线寻踪利器又有新发现
中国自主设计建造的全球灵敏度最高的超高能伽马射线探测器LHAASO，由5216个电磁粒子探测器与1188个缪子探测器组成平方公里阵列（KM2A），辅以水切伦科夫探测器（WCDA）和广角切伦科夫望远镜（WFCTA），能全时段捕捉从万亿电子伏特到千万亿电子伏特能段的伽马射线辐射。
银河系平面是伽马射线的集中区域，蕴藏着大量宇宙线加速器与靶物质，是研究高能天体物理过程的天然实验室。LHAASO凭借前所未有的灵敏度和宽能域覆盖，首次对四个银盘上的河内伽马射线源的超高能伽马射线进行观测，为破解"宇宙线起源世纪之谜"走出了重要一步。
图2 年轻大质量星团吹散周围物质的集结风可形成强激波并高效加速粒子。（图片由chatGPT生成）
《中国科学：物理学 力学 天文学》英文版出版专题研究，汇集多项重要成果：
1. 首次在恒星形成区W43探测到超高能伽马辐射（最高能量>400 TeV）。该区域占银河系恒星总形成率的10%，是继天鹅座恒星形成区后发现的第二个超高能辐射恒星诞生区。辐射范围达50光年，与W43中心年轻大质量星团及周边稠密气体分布吻合。研究表明：星团恒星风与超新星激波将粒子加速至近光速，碰撞气体产生伽马射线；区域储存宇宙线能量超2.5×1048尔格（太阳两千万年辐射总量），证实大质量恒星活动是宇宙线加速的关键场所[1].
图3 W43位于银河系的星系棒的一端，正好在银心距4-6kpc环带的范围，那里是银河系著名的靶物质聚集区与恒星形成场所[7]。
2. 对超新星遗迹CTA-1（距离地球4600光年）的观测揭示：其延伸至300 TeV的超高能辐射主要源自中心脉冲星风云（PWN），理论推测其加速的电子能量与脉冲星风云激波加速粒子能量的理论极限相当。多波段数据证实粒子以对流主导方式被星风裹挟传播，测算出PWN平均磁场约4.5微高斯（与星际磁场相当，约为地球表面磁场的十万分之一），显著低于传统‘强磁场囚禁粒子’模型的预期，挑战了传统模型[2]。
图4 脉冲星喷射电子形成束缚在脉冲星周围的电子云-脉冲星风云。其中逼近光速的电子把能量传递给周围的光子场，产生伽马射线辐射。（图片由chatGPT生成）
3. 探测到脉冲星PSR J0248+6021周围弥散伽马辐射（直径29-49光年）。其形态特征表明它可能是脉冲星风云或脉冲星晕（Pulsar Halo）——后者由高能(néng)电(diàn)子(zi)在(zài)星(xīng)际(jì)介(jiè)质(zhì)中(zhōng)扩(kuò)散(sàn)形(xíng)成(chéng)。该(gāi)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)年(nián)龄(líng)仅(jǐn)6.24万(wàn)年(nián)，是(shì)迄(qì)今(jīn)最(zuì)年(nián)轻(qīng)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)晕(yūn)候(hou)选(xuǎn)体(tǐ)，这(zhè)一(yī)发(fā)现(xiàn)将(jiāng)帮(bāng)助(zhù)科(kē)学(xué)家(jiā)理(lǐ)解(jiě)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)如(rú)何(hé)从(cóng)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)风(fēng)云(yún)演(yǎn)化(huà)到(dào)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)晕(yūn)，如(rú)何(hé)将(jiāng)能(néng)量(liàng)注(zhù)入(rù)星(xīng)际(jì)空(kōng)间(jiān)，并(bìng)挑(tiāo)战(zhàn)着(zhe)当(dāng)前(qián)对(duì)银(yín)河(hé)系(xì)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)传(chuán)播(bō)速(sù)率(lǜ)的(de)认(rèn)知(zhī)[3]。
图(tú)5 目(mù)前(qián)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)风(fēng)云(yún)到(dào)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)晕(yūn)演(yǎn)化(huà)的(de)理(lǐ)论(lùn)图(tú)像(xiàng)。当(dāng)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)风(fēng)云(yún)中(zhōng)的(de)电(diàn)子(zi)逐(zhú)渐(jiàn)脱(tuō)离(lí)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)的(de)束(shù)缚(fù)，进(jìn)入(rù)星(xīng)际(jì)空(kōng)间(jiān)中(zhōng)扩(kuò)散(sàn)时(shí)，形(xíng)成(chéng)的(de)电(diàn)子(zi)扩(kuò)散(sàn)晕(yūn)被(bèi)称(chēng)为(wèi)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)晕(yūn)[8]。
4. 针(zhēn)对(duì)未(wèi)认(rèn)证(zhèng)超(chāo)高(gāo)能(néng)源(yuán)J0056+6346u的(de)多(duō)波(bō)段(duàn)深(shēn)度(dù)分(fēn)析(xī)，发(fā)现(xiàn)其(qí)位(wèi)置(zhì)被(bèi)多(duō)个(gè)气(qì)体(tǐ)泡(pào)所(suǒ)环(huán)绕(rào)，这(zhè)些(xiē)气(qì)体(tǐ)泡(pào)分(fēn)别(bié)可(kě)能(néng)与(yǔ)年(nián)轻(qīng)大(dà)质(zhì)量(liàng)星(xīng)团(tuán)与(yǔ)超(chāo)新(xīn)星(xīng)遗(yí)迹(jī)候(hou)选(xuǎn)体(tǐ)处(chù)于(yú)相(xiāng)近(jìn)的(de)空(kōng)间(jiān)区(qū)域。这(zhè)些(xiē)剧(jù)烈(liè)活(huó)动(dòng)的(de)动(dòng)力(lì)学(xué)结(jié)构(gòu)极(jí)可(kě)能(néng)是(shì)驱(qū)动(dòng)超(chāo)高(gāo)能(néng)辐(fú)射(shè)的(de)"隐(yǐn)藏(cáng)引(yǐn)擎(qíng)"。而(ér)一(yī)个(gè)未(wèi)被(bèi)发(fā)现(xiàn)的(de)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)所(suǒ)对(duì)应(yīng)的(de)脉(mài)冲(chōng)星(xīng)风(fēng)云(yún)也(yě)能(néng)用(yòng)于(yú)解(jiě)释(shì)观(guān)测(cè)到(dào)的(de)现(xiàn)象(xiàng)。目(mù)前(qián)这(zhè)个(gè)隐(yǐn)藏(cáng)在(zài)重(zhòng)重(zhòng)气(qì)泡(pào)下(xià)的(de)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)加(jiā)速(sù)器(qì)，还(hái)等(děng)待(dài)着(zhe)其(qí)神(shén)秘(mì)的(de)面(miàn)纱(shā)被(bèi)揭(jiē)开(kāi)。LHAASO的(de)观(guān)测(cè)为(wèi)我(wǒ)们(men)提(tí)供(gōng)了(le)丰(fēng)富(fù)的(de)线(xiàn)索(suǒ)，未(wèi)来(lái)结(jié)合(hé)x射(shè)线(xiàn)的(de)多(duō)波(bō)段(duàn)研(yán)究(jiū)，有(yǒu)望(wàng)帮(bāng)助(zhù)我(wǒ)们(men)我(wǒ)们(men)得(de)到(dào)答(dá)案(àn)[4]。
正(zhèng)如(rú)来(lái)自(zì)意(yì)大(dà)利(lì)Arcetri天(tiān)文台(tái)的(de)天(tiān)体(tǐ)物(wù)理(lǐ)学(xué)家(jiā)Elena Amato在(zài)专(zhuān)题(tí)评(píng)论(lùn)中(zhōng)指(zhǐ)出(chū)："LHAASO正(zhèng)革(gé)命(mìng)性(xìng)改(gǎi)变(biàn)我(wǒ)们(men)对(duì)银(yín)河(hé)系(xì)的(de)认(rèn)知(zhī)，挑(tiāo)战(zhàn)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)起(qǐ)源(yuán)的(de)传(chuán)统(tǒng)理(lǐ)论(lùn)[5]"。项(xiàng)目(mù)团(tuán)队(duì)强(qiáng)调(diào)："这(zhè)些(xiē)发(fā)现(xiàn)如(rú)同(tóng)宇(yǔ)宙(zhòu)线(xiàn)研(yán)究(jiū)的(de)'罗(luō)塞(sāi)塔(tǎ)石(shí)碑(bēi)'，将(jiāng)帮(bāng)助(zhù)人(rén)类(lèi)解(jiě)码(mǎ)极(jí)端(duān)宇(yǔ)宙(zhòu)的(de)物(wù)理规律[6]"。 专题成果已集结发表于SCIENCE CHINA Physics,Mechanics & Astronomy 2025年第7期。研究团队向所有贡献者致谢，并期待全球科学家共同探索高能宇宙的未解之谜。
参考文献
1. LHAASO COLLABORATION, CAO, Z., AHARONIAN, F., AXIKEGU, et al.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279502 Observation of the γ-ray emission from W43 with LHAASO doi:10.1007/s11433-024-2477-9
2. LHAASO COLLABORATION, CAO, Z., AHARONIAN, F., et al.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279503 Deep view of composite SNR CTA1 with LHAASO in γ-rays up to 300 TeV doi:10.1007/s11433-024-2479-4
3. LHAASO COLLABORATION, CAO, Z., AHARONIAN, F., AXIKEGU, et al.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279504 LHAASO detection of very-high-energy γ-ray emission surrounding PSR J0248+6021 doi:10.1007/s11433-024-2508-5
4. LHAASO COLLABORATION, CAO, Z., AHARONIAN, F., et al.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279505 Study of ultra-high-energy gamma-ray source 1LHAASO J0056+6346u and its possible origins doi:10.1007/s11433-024-2661-8
5. AMATO, E.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279506 LHAASO view of the Milky Way doi:10.1007/s11433-025-2638-5
6. YANG, R., & CAO, Z.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279501
Editorial doi:10.1007/s11433-025-2655-y
7. NGUYEN LUONG, Q., MOTTE, F., SCHULLER, F., et al.2011, A&A, 529, A41 W43: The closest molecular complex of the Galactic bar? doi:10.1051/0004-6361/201016271
8. LÓPEZ-COTO, R., DE OÑA WILHELMI, E., AHARONIAN, F., et al.2022, Nat. Astron., 6, 199 Gamma-ray haloes around pulsars as the key to understanding cosmic-ray transport in the Galaxy doi:10.1038/s41550-021-01580-0
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