位于海拔4400米的稻城，我国“高海拔宇宙线观测站”有哪些重磅发现？|伽马射线|宇宙线观测站|宇宙线起源|稻城站|粒子|银河系|高海拔

我是中科院高能物理研究所副研究员李哲，从事粒子天体物理的研究工作，整天和来自宇宙的射线打交道。

我国大科学装置“高海拔宇宙线观测站”（LHAASO，“拉索”）位于四川省稻城县海子山上，这里的平均海拔约4410米，它是世界上海拔最高的宇宙射线探测阵列，也是我工作所依赖的设备。

这个“科学重器”的策划太及时了！就在前几天，我们拉索观测站成果新闻发布会在北京召开，会上公布了两项重磅发现：

1、银河系里那些由黑洞吸积驱动的微类星体，就像一个个超级粒子加速器，能把质子加速到极高的能量——拍电子伏级别。

2、宇宙线质子能谱上叫“膝”的区域，出现了比预想更强的高能成分，而黑洞正是最有可能的“幕后推手”。

这些结果不仅让我们离解开宇宙线起源之谜更近了一步，也为研究黑洞系统的极端物理现象打开了一扇新窗口。

高不成低不就，4400米刚刚好

大家可以把宇宙想象成一个巨大的“战场”，每时每刻都有无数高能粒子像炮弹一样，从宇宙的各个角落轰向地球。这些炮弹，科学家给它们起了个名字，叫做 “宇宙线” ，或者更准确地叫 “宇宙高能粒子”。

刘慈欣《三体》小说描绘有一种叫“光粒”的东西，它是宇宙高等文明使用一种打击对方恒星的武器。根据小说描绘的使用情况，感觉光粒并非是光子，而更像是一种近光速运动的有质量粒子，目前人类已找到两颗超高能粒子，刘慈欣或许正是借鉴了现实中的宇宙线的概念。

我们的目标就是捕捉这些“宇宙炮弹”，研究它们，从而揭开宇宙的奥秘。但问题是，这些“炮弹”一旦撞上地球的大气层，就会跟空气中的原子核“擦出火花”，产生一场盛大的“次级烟花雨”——这就是 “广延大气簇射（Extensive air shower, EAS）”。

广延大气簇射是指当能量极高的原初宇宙线粒子撞击地球大气层顶部时，会与大气中的原子核（如氮、氧）发生相互作用，产生大量的次级粒子（如π介子、K介子等）。这些次级粒子又迅速衰变或继续相互作用，产生更多的粒子，如μ子、电子、光子和中微子。这个过程像一场粒子“雪崩”，形成一个以光速向前传播、覆盖数平方公里范围的粒子盘，这就是“广延大气簇射”。

我们的探测器无法直接到太空中去捕捉原初宇宙线（虽然卫星实验也在做，但受限于有效载荷和探测面积，只能探测能量较低的部分），因此，在地面上间接探测其产生的次级粒子，是研究极高能量宇宙线的主要手段。

将探测器建于高海拔地区，在物理上最根本的原因之一就是靠近簇射极大值，以获取最丰富的粒子信息。广延大气簇射的发展是一个动态过程：粒子数随着大气深度增加而迅速增长，达到一个峰值，这个点称为 “簇射极大值”，越过极大值后，由于能量损失和吸收，粒子数开始指数衰减。

对于LHAASO主要探测的TeV-PeV能区的伽马光子和宇宙线，在4400米的高海拔，探测器正好位于或非常接近许多重要簇射的极大值区域。在此处，次级粒子的通量达到最大，我们可以捕捉到最完整、最丰富的粒子信息样本，意味着我们能够更精确地重建原初粒子的性质，比如能量、方向和成分。

LHAASO复合阵列

LHAASO阵列由平方公里的电磁粒子和缪子探测器阵列（KM2A）、水切伦科夫探测器阵列（WCDA）、广角切伦科夫望远镜（WFCTA）组成，旨在研究宇宙线的起源、传播和加速机制。

LHAASO在运行初期就发现了首批银河系“拍电子伏特”宇宙加速器，开启了超高能（能量大于百万亿电子伏特）伽马天文窗口，为破解银河系内宇宙线加速源带来了战略性机遇，被美国列为了国际领先的伽马射线和宇宙线研究领域的主导性实验装置。

LHAASO的独特设计让它成为寻找“拍电子伏特”加速源的“神器”，这一巨大的复合阵列覆盖了大约1.3平方公里，它就像个全天候工作的"宇宙监控摄像头"，专门捕捉那些超高能宇宙线。

LHAASO的重磅发现

自从建成运行以来，我们拉索的新发现接连不断！有科学家表示，这座位于高原之巅的观测站产出重磅成果的速度堪比当年的日本神冈探测器。

1. 发现了12个“拍电子伏”超高能伽马射线源！

这是个啥概念？“拍电子伏”是一个能量单位，1拍电子伏 = 1000万亿电子伏！这是什么水平？比地球上最大粒子对撞机——大型强子撞机（LHC）能产生的粒子最高能量还要高出100倍以上！

以前，科学家普遍认为，银河系内的天体，其加速粒子的能量极限就在1拍电子伏以下，被称为 “拍电子伏截断”。但LHAASO一上来，就一口气发现了12个能量达到拍电子伏的光子，直接来自天鹅座、蟹状星云等天体。

这意味着什么？这意味着，在我们银河系里，就存在着天然的“拍电子伏粒子加速器”！它们加速粒子的效率，远超人类建造的任何机器。这个发现，直接打破了传统的“拍电子伏截断”理论，开启了 “超高能伽马天文学”的新纪元。

当然，这还不是人类发现的最高能宇宙线。2021年，在美国犹他州沙漠中有一个叫“望远镜阵列项目”的宇宙线探测阵列探测到一颗超高能粒子，能量达到了240EeV（2.4万亿亿电子伏特），这个能量是人类斥资百亿美元建造的最强大加速器“大型强子对撞机”的一千万倍！无独有偶，1991年，科学家曾经探测到一个能量甚至更高的粒子，达到了320EeV（3.2万亿亿电子伏特），业内称之为“Oh-My-God particle”！这个名字似乎让我们看到了科学家惊讶的样子。

2. 记录到了史上最亮的伽马射线暴（GRB 221009A）的高能光子

2022年10月9日，一次极其明亮的伽马射线暴被众多望远镜捕捉到，它被戏称为 “有史以来最亮”的伽马射线暴（BOAT）。LHAASO成功地捕捉到了这次事件中能量高达10 TeV（万亿电子伏特）以上的光子。

这不仅再次证明了LHAASO极快的响应速度和极高的灵敏度，更重要的是，这些高能光子携带着伽马射线暴源头（很可能是大质量恒星坍缩成黑洞的瞬间）的极端物理过程信息，对理解宇宙中最剧烈的爆发现象具有里程碑式的意义。