2020年4月初的一天,中科院高能物理研究所副研究员王玲玉在分析高海拔宇宙线观测站(LHAASO)采集到的数据时,发现了一个异常信号。经过反复检查,她决定将情况报告给LHAASO首席科学家曹臻。3个月后,事实证明,这的确是LHAASO看到的第一个来自银河系的超高能伽马光子,能量达到1.4PeV(千万亿电子伏特),这意味着光的源头是一个超高能量的宇宙线加速器。
之后,类似事例越来越多,也有越来越多证据表明,与理论物理学家的判断不同,银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1PeV的宇宙线加速器。该成果5月17日发表于《自然》。人类首次在天鹅座区域发现能量超过千万亿电子伏特的伽马光子。
LHAASO的平方公里阵列(KM2A)就是为搜寻这种超高能宇宙线加速器而设计的。当王玲玉看到第一个超高能伽马光子信号时,LHAASO的KM2A刚刚建成一半,设备还在调试之中。
直到3个月后,他们才谨慎地排除了误差的可能,确定此前看到的超高能伽马光子信号不是由统计误差或仪器故障等原因造成的。同时,他们又在LHAASO布置的望远镜上找到了同时同样的光信号,印证了信号的真实性。随着第一个超高能伽马光子被确认,调试好的设备很快又发现了不少类似的超高能光子。此次,他们公布了LHAASO发现的12个超高能伽马光的天体源。
《自然》匿名审稿人看到论文后惊呼,LHAASO的发现是“真正的突破”,标志着“新时代的开始”。LHAASO科学顾问、ARGO-YBJ实验意方发言人B.D’Ettorre说,这一成果“照亮的是广阔非热宇宙的壮丽河山”。得知LHAASO找到这么多超高能宇宙线加速器后,国际天体物理学家、LHAASO合作组科学顾问F.Aharonian直言:“看到这些结果,我此生足矣!”
1989年,粒子天体物理学家发现了第一个能辐射出0.1TeV(万亿电子伏)光子的银河系天体,由此开启了“甚高能”伽马射线天文学。在这之后的20年里,他们探测到的光能量逐渐接近0.1PeV,但一直没能突破这一极限。由此,理论物理学家判断,0.1PeV处存在超高能量截断。换言之,他们认为,银河系里没有超高能宇宙线加速器。
可是,与理论物理学家相比,曹臻等实验物理学家更愿意相信,超高能光子不是不存在,而是受限于人类探测能力。
2019年,人类探测到第一个能发出超高能光子的天体,但由于没有其他探测器观测到能够与之印证的信号,这一发现对超高能截断理论的冲击力有限。有了这样的前车之鉴,LHAASO在设计时就同时安排了阵列、望远镜。这样可以提高LHAASO探测伽马光子的灵敏度,观测结果也可以相互印证,最终彻底推翻原先对超高能量截断的判断。
此次发布的成果是LHAASO建成的一半阵列在最初运行的11个月里发现的,也是LHAASO公布的首批科学成果。LHAASO由布置在1.3平方公里面积上的高能粒子探测器阵列组成。主体工程于2017年11月开始建设,到2020年1月,阵列建设完成了一半并逐步投入运行。“不到1年的观测已经展现出LHAASO强大的科学发现威力。”每提及此,曹臻都难掩兴奋。
关于今后LHAASO的研究计划,曹臻介绍,2021年,LHAASO将完成全部工程建设。为了探索到更多超高能宇宙线加速器,并对它们的能谱开展全覆盖测量,LHAASO建设了水切伦科夫探测器阵列(WCDA),使得LHAASO能够对超高能宇宙线加速器开展横跨10个能量量级的多波段研究,以探寻其发光机制以及背后的粒子加速机制。
此外,由于目前还不能确定超高能伽马光子的产生机制,LHAASO团队正在努力开展多信使研究,通过探测光子出现时是否伴随相应的超高能中微子,判断超高能光子是否由质子碰撞产生。