LHAASO发现巨型超高能伽马射线气泡识别出第一个超级PeVatron

大型高空空气簇射天文台(LHAASO)在天鹅座恒星形成区发现了巨大的超高能伽马射线气泡结构，这是首次发现能量高于10Peta的宇宙射线起源。电子伏特(PeV)已被发现。该成果于2月26日以封面文章的形式发表在《科学通报》上。

该研究由中科院高能物理研究所曹震研究员领衔的LHAASO协作组完成。高传东博士、李聪博士、刘若愚教授和杨瑞智教授为该论文的共同通讯作者。

宇宙射线是来自外太空的带电粒子，主要由质子组成。宇宙线的起源是现代天体物理学最重要的前沿问题之一。过去几十年对宇宙射线的测量揭示了能谱(即宇宙射线丰度分布作为粒子能量的函数)在1PeV左右的断裂，这被称为宇宙射线能谱的“拐点”，因为其形状类似于膝关节。

科学家认为，能量低于“膝盖”的宇宙线源自银河系内的天体，而“膝盖”的存在也表明银河系内大部分宇宙线源加速质子的能量极限大约是几个PeV。然而，“膝盖”区域的宇宙射线起源仍然是一个未解之谜，也是近年来宇宙射线研究中最令人感兴趣的话题之一。

LHAASO在天鹅座恒星形成区发现巨型超高能伽马射线气泡结构，结构内部存在超过1PeV的多个光子，最高能量达到2.5PeV，表明超级宇宙射线加速器的存在气泡内部不断加速能量高达20PeV的高能宇宙射线粒子，并将其注入星际空间。

这些高能宇宙射线与星际气体碰撞并产生伽马射线。这些伽马射线光子的强度与周围气体的分布明显相关，而气泡中心附近的大质量星团(OB协会，天鹅座OB2)是超级宇宙射线加速器最有希望的候选者。天鹅座OB2由许多年轻、炽热、大质量恒星组成，表面温度超过约35,000°C(O型恒星)和15,000°C(B型恒星)。

这些恒星的辐射光度是太阳的数百至数百万倍，巨大的辐射压力吹走恒星的表面物质，形成速度高达每秒数千公里的动态恒星风。恒星风与周围星际介质的碰撞以及恒星风之间的剧烈碰撞，为粒子的高效加速创造了理想的场所。

这是迄今为止确定的第一个超级宇宙射线加速器。随着观测时间的增加，LHAASO有望探测到更多的超级宇宙线加速器，有望解开银河系宇宙线起源之谜。

LHAASO的观测还表明，气泡内部的超级宇宙线加速器使周围星际空间的宇宙线密度显着增加，远远超过了银河系宇宙线的平均水平。密度过剩的空间延伸甚至超过了观测到的气泡范围，这为LHAASO先前检测到的银河平面漫射伽马射线过量发射提供了可能的解释。

意大利国家天体物理研究所(INAF)的天体物理学家ElenaAmato教授强调了这一发现对宇宙射线起源的总体影响。她还评论说，这一发现“不仅影响了我们对漫射发射的理解，而且对我们对银河系中宇宙射线(CR)传输的描述也产生了非常相关的影响。”

LHAASO是专注于宇宙线研究的重点科技基础设施，位于中国四川省稻城县海子山海拔4410米。它是由1平方公里的5216个电磁粒子探测器和1188个μ子探测器的地面阵列、7.8万平方米的水切伦科夫探测器阵列和18个广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列。

LHAASO于2021年7月竣工，并开始高质量稳定运行。它是世界上最灵敏的超高能伽马射线探测装置。该设施由高能物理研究所运营，采用通用的国际合作模式，实现设施平台和观测数据的开放共享。目前，已有32家国内外天体物理研究机构成为LHAASO国际合作成员，成员总数约280人。

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