高海拔宇宙线观测站——开启探索宇宙奥秘新时代！

本文转自：知识就是力量杂志

撰文 / 陈思（中国科学院大连化学物理研究所）

本文来自《知识就是力量》杂志

2021年5月17日，国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站辣叟（LHAASO）发布最新成果：在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到能量达1.4拍（拍=千万亿）电子伏（eV）的伽马光子。这是人类观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知。什么是宇宙加速器？辣叟是如何捕捉到它们的？这项最新发现有什么样的意义？

无形的宇宙使者：宇宙线

渺渺星空、浩瀚宇宙，蕴藏无限奥秘，始终激发人类探索未知、发现新奇的热情和勇气。各式各样从空间深处投向地球的射线，给人类带来了探索宇宙奥秘的钥匙，为人类打开了探索未知的大门。它们与天体传来的可见光线不同，是一种人眼看不见的射线。但是，正是这些无形的使者，给人类带来了了解宇宙的更多可能，它们就是宇宙线。

宇宙线是在大气层中诱发的一堵以接近真空中的光速传播的高能粒子墙（图片来源/澳大利亚斯文伯恩工业大学官

宇宙线是在大气层中诱发的一堵以接近真空中的光速传播的高能粒子墙（图片来源/澳大利亚斯文伯恩工业大学官网）

什么是宇宙线？宇宙线是在大气层中诱发的一堵以接近真空中的光速传播的高能粒子墙，其主要成分是原子核，其中大部分是氢原子核，约占87%；其次是氦原子核，约占12%；另外还有氧、氮、铁、钴、镍、碳、锂、钡、硼等元素的原子核。除原子核外，也会有电子、光子以及几乎不与物质作用的中微子等其他微观粒子。

宇宙线作为太阳系外唯一的物质标本，是人类探索宇宙及其演化的重要途径。同时，宇宙线也是极强大的天然高能基本粒子源，对于原子核物理研究也十分重要。例如，人类就是在研究次级宇宙线时才第一次发现了正电子和介子等基本粒子。另外，高能辐射线能使物生物遗传基因发生改变或受到破坏，引起生物变异。因此，宇宙线对地球上的生物演化和生态平衡具有重大影响。可见，宇宙线的探测和研究，对于天文学、物理学以及生物学等领域，都有非常重要的意义。

如何捕捉宇宙信使？

既然宇宙线这么重要，我们要如何捕捉它呢？这位信使可不是轻易能够被我们探测到的。

宇宙线中绝大多数都是带电粒子，但宇宙中处处存在着磁场，比如银河系磁场、太阳磁场、地球磁场，带电粒子经过漫长的“旅程”到达地球时，会丧失最初的方向。因此根据地球上观测到的宇宙线方向，很难找到它的发源地。

通过对比阿尔法（α）射线、贝塔（β）射线和伽马（γ）射线穿透纸、铝和铅，可知伽马（γ）射线穿透力最强

让人类倍感欣慰的是，研究发现，在宇宙线的起源地，宇宙线会与当地的介质气体碰撞产生中性高能伽马射线。这就帮了大忙，因为中性粒子不受磁场影响，因此科研人员只要在地球上观测到伽马射线，反推它原来的方向，就可以研究宇宙线起源。因此，通过高能伽马射线，特别是1014电子伏特（eV）及以上能量的伽马射线，是目前寻找宇宙线起源非常重要的手段。

寻找宇宙线起源的秘密武器：辣叟

那么，接下来，就让我们认识一个寻找宇宙线起源的“秘密武器”——辣叟。它位于中国四川省稻城县海子山，占地面积约1.36平方千米。

辣叟各种观测手段示意图

在技术上，辣叟有四大“杀手锏”：电磁粒子探测器阵列、缪子探测器阵列、水切伦科夫探测器阵列、广角切伦科夫望远镜阵列。这四大“杀手锏”可以测量宇宙线空气簇射中的次级电磁粒子；宇宙线空气簇射中的缪子含量；重建出原初伽马射线或宇宙线的到达方向、能量；高能宇宙线或高能伽马射线通过簇射在大气中产生的切伦科夫光或荧光。

高海拔宇宙线观测站项目模拟图（绘图/骆玫）

科学家预测，只有极高能宇宙线在银河系中轰击原子核才可以产生少量伽马射线，因此，从这种角度看，我们真正“触碰”到了电磁波探测的尽头。当然，这也是我们当今认知的尽头。不过，毋庸置疑的是，辣叟已经为我们开启了“超高能伽马天文学”的新时代！