我国大科学装置高海拔宇宙线观测站（LHAASO，“拉索”）日前在天鹅座恒星形成区发现了一个巨型超高能伽马射线泡状结构，历史上首次找到能量高于1亿亿电子伏的宇宙线的起源天体。该成果2月26日发表于《科学通报》（Science Bulletin）。

▲《科学通报》封面图

难寻源头的宇宙线

宇宙线是星际空间中以接近光速的速度高速运动的带电粒子。它在星际化学过程和恒星形成过程中扮演着重要的角色。

高能宇宙线是联结微观粒子和宏观宇宙的桥梁，与宇宙天体中的极端物理过程相联系，是近年来新兴的交叉学科粒子天体物理的重要组成部分。

因为宇宙线本身带电，在星际磁场中会发生偏转，所以当科学家观测到宇宙射线时，很难确定“它到底来自哪里”。

于是，科学家就想到了一个间接确定宇宙线来源的方法。

超越模型的观测结果

宇宙线在传播过程中会与星际介质中的其他成分发生相互作用，从而产生次级粒子，例如伽马射线光子和中微子。这些不带电的次级粒子不会被星际磁场偏转，而是直线传播。

如果我们观测到这些次级粒子（比如伽马射线），就可能直接定位宇宙线的加速源。

“拉索”利用这个特点，成功在银河系内的天鹅座恒星形成区发现巨型超高能伽马射线泡状结构，直径约1000光年。

研究发现，它内部有多个能量超过1千万亿电子伏（1PeV，一拍伏）的伽马射线光子，最高能量达到2千万亿电子伏。

一般来说，要产生能量为2千万亿电子伏的伽马光子，与之发生相互作用的宇宙线粒子需要具备至少10倍的能量（即2亿亿电子伏）。

有意思的是，宇宙线的能谱在1千万亿电子伏附近呈现出一个拐折结构（形状类似膝关节），被称为宇宙线能谱的“膝”，一般认为，能量比“膝”低的宇宙线起源于银河系内的天体。也就是说，此前模型认为，银河系内的天体至多能把宇宙线加速到1千万亿电子伏左右。

而本次发现则打破了“银河系难以产生能量高于‘膝’的宇宙线”的说法。

▲宇宙线能谱及其“膝”结构

寻找“超级宇宙线加速器”

新发现证明了泡内部存在着“超级宇宙线加速器”，源源不断地产生能量至少达到2亿亿电子伏的高能宇宙线，但是这还不是新发现的终点。

基于观测到的伽马射线的空间分布，科学家对宇宙线加速源的位置进行了限制，寻找到了加速源的位置。

▲“拉索”观测到的高能伽马射线空间分布，图中每个圆点代表“拉索”探测到的一个超高能伽马光子

结果表明，最可能的宇宙线加速源就是位于泡中心附近的天鹅座OB2 (Cyg OB2)。

由此确认，天鹅座OB2是迄今为止人类能够认证的第一个能把宇宙线加速到“膝”区能量的超级宇宙线加速源。

这是人类研究宇宙线起源历史上里程碑式的进展。

解析“宇宙线加速源”

那么，泡中心附近的天鹅座OB2，是如何把宇宙线加速到高于“膝”区能量的呢？

科研人员发现，天鹅座OB2是一个包含数十颗大质量恒星的年轻星团。这些大质量恒星每个的质量都要比太阳大几十倍，体积大数万倍。

它们的辐射强度是太阳的百倍至百万倍，巨大的辐射压将恒星表面物质吹出，形成了速度可达1000千米/秒的强烈的星风。这些星风成为了强大的粒子加速器。

被加速到极高能量的宇宙线从加速区域逃逸出来，与星际介质中的致密分子和原子气体相互作用，就产生了被“拉索”观测到的伽马射线。

随着观测时间的增加，“拉索”将可能探测到更多类似的超级宇宙线加速源，有望解决银河系宇宙线起源之谜。

▲“拉索”发现巨型伽马射线泡成果解读

来源：中国科学院高能物理研究所

作者：杨睿智，系LHAASO国际合作组成员、中国科学技术大学教授

来源：中国科学院高能物理研究所

责任编辑：王颖