LHAASO重要发现开启“超高能γ天文学”时代

马帅康 张子豪 高 启,*

（1、西藏大学理学院，西藏 拉萨850000 2、宇宙线教育部重点实验室，西藏 拉萨 850000）

1 概述

宇宙线自1912 年物理学家赫斯首次发现至今已超百年，其起源、加速和传播仍是未解之谜。目前普遍认为膝区以下的宇宙线起源于银河系，但没有发现直接证据。甚高能及以上γ 射线不受到星际磁场影响，能够保留源方向的信息，因此通过甚高能及以上γ 射线寻找宇宙线加速证据是探寻宇宙线起源之谜的极佳手段。特别是能量高于0.1PeV的超高能(Ultrahighenergy，UHE) γ 射线，被认为是寻找宇宙线起源的最直接手段[3]。

由于宇宙原初γ 射线能谱呈指数衰减且流强远低于宇宙线带电粒子，0.1PeV 以上能区UHEγ 射线探测极其困难[2]。直到2019 年，中日合作ASγ 实验才宣布首次探测到来自蟹状星云的超0.1PeV 高能γ 辐射，将UHE γ 射线观测推进到亚PeV 能区[3]。随后ASγ、HAWC 相继观测 多 个天 体源超100TeVγ 辐射，最高能量达0.957PeV[5]。这些观测结果初步表明PeV 宇宙线加速器在银河系内存在，但其观测到的UHE γ 射线能量仍没有突破PeV。2021 年5 月，LHAASO 实验组首次观测到银河系1.4PeVUHE γ 射线辐射，同时发现了12 个能量延伸到1PeV 附近的稳定γ 射线源，相关研究结果于2021 年5月17 日发表在《Nature》期刊[1]。这一结果首次将HUE γ 射线推进到PeV 能区，打开了探索极端宇宙奥秘的新窗口，开启了“超高能γ天文学”的新时代。

笔者以此次UHE γ 射线观测重大进展为契机，向广大读者介绍LHAASO 实验装置及其在甚高能以上γ天文领域主要探测目标、探测原理，并对本次UHE γ 射线观测结果的重要突破及意义做简单解读。

2 LHAASO 实验

LHAASO 是我国十三五规划建设的重大科技基础设施项目，也是我国《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012-2030 年）》16 个优先安排的重大项目之一[15]。主要目标瞄准宇宙线观测研究前沿课题，探索高能宇宙线的起源之谜，并展开相关的天体演化和暗物质分析等基础科学研究[12]。

图2 LHAAASO 局部天图@＞100TeV 源自文献[1]

LHAASO 实验由KM2A、WCDA 和WFCTA 三个阵列组成，其探测原理和探测器布局如图1 所示[14]。KM2A 阵列由5195 个电磁探测器ED 和1171 个μ 子探测器MD 组成[14]，有效面积42,000m2，覆盖能区0.1PeV-10PeV，主要探测对象为河内γ 源。WCDA 分成3 个水池，包括3120 个单元探测器，有效面积78,000 m2，覆盖能区0.1PeV-10PeV，主要巡天观测E＞0.1PeV的γ 射线天空。WFCTA 阵列由18 台广角切伦科夫望远镜组成，单元望远镜视场16°×16°[11]。WFCTA 实验探测能区范围为0.1PeV-100PeV，主要目标是对原初宇宙线成分以及能谱的测量，同时完成从空间直接测量低能宇宙线到地面间接测量极高能宇宙线的能标传递工作[10]。LHAASO 实验充分发挥高海拔优势，通过4 种探测器阵列的复合观测，可以充分发挥多波段，多信使观测优势，具有独特的自我交叉标定能力[13]。建成后可以实现对宇宙线EAS的立体性观测，大幅度提高能量测量的精度和成份鉴别能力，在甚高能及以上能区γ 射线巡天普查灵敏度、宇宙线能谱覆盖范围、宇宙线成分识别的精确度方面达到国际领先水平[10]。

图1 LHAASO 探测原理及探测器布局，源自文献[1，10]

3 LHAASO 实验UHE γ 射线观测结果及意义

LHAASO 实验采用边建设边观测模式（可以提前进入观测状态，提早产生科学成果），LHAASO 合作组科学家通过对建成的1/2 阵列KM2A 探测器2020 年内11 个月的观测数据[1]分析发现：

3.1 来自天鹅座内恒星形成区附近和蟹状星云超过1PeV UHE γ 光子辐射，最高能量超过1.4PeV。

3.2 发现12 个不同类型的稳定UHE γ 辐射源，有效γ事例高于背景事例7 个标准偏差，源位置测量精度≤0.30。其中最亮的三个辐射源γ 能谱延伸到数百TeV 且没有明显截断迹象。

此次重大发现在探寻宇宙线起源的研究进程中具有里程碑意义，其在于：

3.2.1 本次LHAASO重要发现，是在宇宙线研究历史上首次观测到能量超PeV的γ 辐射，直接将对γ 射线探测由甚高能升级到超高能段，开启了PeV 超高能γ天文学的大门，为下一步寻找宇宙线起源、探索极端宇宙打开了一个崭新的窗口[3]。

3.2.2 按照现有理论，银河系宇宙线加速器能量存在上限，其产生γ 光子在0.1PeV 左右存在截断。此次LHAASO 观测到的12 个不同类型UHE γ 源，其辐射能谱均延续到几百TeV能量范围。这一观测结果一方面表明产生这些γ 射线的母粒子的能量将超过1PeV，打破了旧的宇宙线加速模型极限；另一方面也表明，宇宙中存普遍PeV 宇宙线加速源，向进一步揭示宇宙线起源之谜迈出了至关重要的一步。

3.2.3 天鹅座区域是位于银河系北部最亮的部分，其内部拥有多个大质量星团，恒星演变活动剧烈，具有的激波环境异常复杂，是产生高能宇宙线的理想场所。随着天鹅座区域PeVγ 射线的发现，该区域将会成为寻找UHE γ 射线源的“宝藏”突破口，为多波段、多信使天文观测设备所关注，有望成为解开“世纪之谜”的突破口。而蟹状星云被称为“标准烛光”，作为目前唯一具有清晰辐射机制的标准γ 源，对其跨越二十多个量级的精确光谱测量表明其具有明显的电子加速特征。LHAASO 观测到蟹状星云PeVUHE γ 射线对现有电子加速理论形成新的重大挑战。

结束语

LHAASO 1/2 阵列KM2A 探测器此次发现证明银河系内普遍存在PeV 宇宙线加速源，对现有宇宙线起源加速理论提出重大挑战，开启“超高能γ天文学”时代。籍由此发现，LHAASO 实验也成为唯一可以提供高统计性测量数据的UHEγ天文试验。建成后，LHASSO 将实现γ 射线高能端探测灵敏度最高、TeV能段巡天扫描搜索能力最强、覆盖宇宙线能谱范围最广三个世界之最。在不久的将来，LHAASO 将成为继Auger、IceCube、CTA之后第四个宇宙线研究中心，长期引领PeV 能段的粒子天体物理的研究。结合HERD、DAMPE，Ali-CPT 等空地探索设施，LHAASO 将在破解宇宙线起源之谜、探索暗物质本质等国际基础研究前沿领域写下中国人浓墨重彩的一笔，贡献重要的“中国力量”。