LHAASO重要發現開啟“超高能γ天文學”時代

馬帥康 張子豪 高 啟,*

（1、西藏大學理學院，西藏 拉薩850000 2、宇宙線教育部重點實驗室，西藏 拉薩 850000）

1 概述

宇宙線自1912 年物理學家赫斯首次發現至今已超百年，其起源、加速和傳播仍是未解之謎。目前普遍認為膝區以下的宇宙線起源于銀河系，但沒有發現直接證據。甚高能及以上γ 射線不受到星際磁場影響，能夠保留源方向的信息，因此通過甚高能及以上γ 射線尋找宇宙線加速證據是探尋宇宙線起源之謎的極佳手段。特別是能量高于0.1PeV的超高能(Ultrahighenergy，UHE) γ 射線，被認為是尋找宇宙線起源的最直接手段[3]。

由于宇宙原初γ 射線能譜呈指數衰減且流強遠低于宇宙線帶電粒子，0.1PeV 以上能區UHEγ 射線探測極其困難[2]。直到2019 年，中日合作ASγ 實驗才宣布首次探測到來自蟹狀星云的超0.1PeV 高能γ 輻射，將UHE γ 射線觀測推進到亞PeV 能區[3]。隨后ASγ、HAWC 相繼觀測 多 個天 體源超100TeVγ 輻射，最高能量達0.957PeV[5]。這些觀測結果初步表明PeV 宇宙線加速器在銀河系內存在，但其觀測到的UHE γ 射線能量仍沒有突破PeV。2021 年5 月，LHAASO 實驗組首次觀測到銀河系1.4PeVUHE γ 射線輻射，同時發現了12 個能量延伸到1PeV 附近的穩定γ 射線源，相關研究結果于2021 年5月17 日發表在《Nature》期刊[1]。這一結果首次將HUE γ 射線推進到PeV 能區，打開了探索極端宇宙奧秘的新窗口，開啟了“超高能γ天文學”的新時代。

筆者以此次UHE γ 射線觀測重大進展為契機，向廣大讀者介紹LHAASO 實驗裝置及其在甚高能以上γ天文領域主要探測目標、探測原理，并對本次UHE γ 射線觀測結果的重要突破及意義做簡單解讀。

2 LHAASO 實驗

LHAASO 是我國十三五規劃建設的重大科技基礎設施項目，也是我國《國家重大科技基礎設施建設中長期規劃（2012-2030 年）》16 個優先安排的重大項目之一[15]。主要目標瞄準宇宙線觀測研究前沿課題，探索高能宇宙線的起源之謎，并展開相關的天體演化和暗物質分析等基礎科學研究[12]。

圖2 LHAAASO 局部天圖@＞100TeV 源自文獻[1]

LHAASO 實驗由KM2A、WCDA 和WFCTA 三個陣列組成，其探測原理和探測器布局如圖1 所示[14]。KM2A 陣列由5195 個電磁探測器ED 和1171 個μ 子探測器MD 組成[14]，有效面積42,000m2，覆蓋能區0.1PeV-10PeV，主要探測對象為河內γ 源。WCDA 分成3 個水池，包括3120 個單元探測器，有效面積78,000 m2，覆蓋能區0.1PeV-10PeV，主要巡天觀測E＞0.1PeV的γ 射線天空。WFCTA 陣列由18 臺廣角切倫科夫望遠鏡組成，單元望遠鏡視場16°×16°[11]。WFCTA 實驗探測能區范圍為0.1PeV-100PeV，主要目標是對原初宇宙線成分以及能譜的測量，同時完成從空間直接測量低能宇宙線到地面間接測量極高能宇宙線的能標傳遞工作[10]。LHAASO 實驗充分發揮高海拔優勢，通過4 種探測器陣列的復合觀測，可以充分發揮多波段，多信使觀測優勢，具有獨特的自我交叉標定能力[13]。建成后可以實現對宇宙線EAS的立體性觀測，大幅度提高能量測量的精度和成份鑒別能力，在甚高能及以上能區γ 射線巡天普查靈敏度、宇宙線能譜覆蓋范圍、宇宙線成分識別的精確度方面達到國際領先水平[10]。

圖1 LHAASO 探測原理及探測器布局，源自文獻[1，10]

3 LHAASO 實驗UHE γ 射線觀測結果及意義

LHAASO 實驗采用邊建設邊觀測模式（可以提前進入觀測狀態，提早產生科學成果），LHAASO 合作組科學家通過對建成的1/2 陣列KM2A 探測器2020 年內11 個月的觀測數據[1]分析發現：

3.1 來自天鵝座內恒星形成區附近和蟹狀星云超過1PeV UHE γ 光子輻射，最高能量超過1.4PeV。

3.2 發現12 個不同類型的穩定UHE γ 輻射源，有效γ事例高于背景事例7 個標準偏差，源位置測量精度≤0.30。其中最亮的三個輻射源γ 能譜延伸到數百TeV 且沒有明顯截斷跡象。

此次重大發現在探尋宇宙線起源的研究進程中具有里程碑意義，其在于：

3.2.1 本次LHAASO重要發現，是在宇宙線研究歷史上首次觀測到能量超PeV的γ 輻射，直接將對γ 射線探測由甚高能升級到超高能段，開啟了PeV 超高能γ天文學的大門，為下一步尋找宇宙線起源、探索極端宇宙打開了一個嶄新的窗口[3]。

3.2.2 按照現有理論，銀河系宇宙線加速器能量存在上限，其產生γ 光子在0.1PeV 左右存在截斷。此次LHAASO 觀測到的12 個不同類型UHE γ 源，其輻射能譜均延續到幾百TeV能量范圍。這一觀測結果一方面表明產生這些γ 射線的母粒子的能量將超過1PeV，打破了舊的宇宙線加速模型極限；另一方面也表明，宇宙中存普遍PeV 宇宙線加速源，向進一步揭示宇宙線起源之謎邁出了至關重要的一步。

3.2.3 天鵝座區域是位于銀河系北部最亮的部分，其內部擁有多個大質量星團，恒星演變活動劇烈，具有的激波環境異常復雜，是產生高能宇宙線的理想場所。隨著天鵝座區域PeVγ 射線的發現，該區域將會成為尋找UHE γ 射線源的“寶藏”突破口，為多波段、多信使天文觀測設備所關注，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。而蟹狀星云被稱為“標準燭光”，作為目前唯一具有清晰輻射機制的標準γ 源，對其跨越二十多個量級的精確光譜測量表明其具有明顯的電子加速特征。LHAASO 觀測到蟹狀星云PeVUHE γ 射線對現有電子加速理論形成新的重大挑戰。

結束語

LHAASO 1/2 陣列KM2A 探測器此次發現證明銀河系內普遍存在PeV 宇宙線加速源，對現有宇宙線起源加速理論提出重大挑戰，開啟“超高能γ天文學”時代。籍由此發現，LHAASO 實驗也成為唯一可以提供高統計性測量數據的UHEγ天文試驗。建成后，LHASSO 將實現γ 射線高能端探測靈敏度最高、TeV能段巡天掃描搜索能力最強、覆蓋宇宙線能譜范圍最廣三個世界之最。在不久的將來，LHAASO 將成為繼Auger、IceCube、CTA之后第四個宇宙線研究中心，長期引領PeV 能段的粒子天體物理的研究。結合HERD、DAMPE，Ali-CPT 等空地探索設施，LHAASO 將在破解宇宙線起源之謎、探索暗物質本質等國際基礎研究前沿領域寫下中國人濃墨重彩的一筆，貢獻重要的“中國力量”。