一個宇宙線粒子與空氣核碰撞產生大量次級粒子的過程示意及高海拔宇宙線觀測站LHAASO規劃圖作者供圖

LHAASO是目前和未來20年內最強的超高能伽馬射線探測裝置，部分陣列近1年nian觀guan測ce已yi經jing接jie連lian取qu得de突tu破po性xing進jin展zhan，未wei來lai有you望wang帶dai領ling我wo們men揭jie開kai銀yin河he係xi內nei宇yu宙zhou線xian起qi源yuan這zhe一yi世shi紀ji之zhi謎mi
，並bing在zai超chao高gao能neng伽jia馬ma波bo段duan這zhe一yi最zui高gao能neng量liang電dian磁ci波bo窗chuang口kou探tan索suo浩hao瀚han宇yu宙zhou。

浩hao瀚han宇yu宙zhou

，渺miao渺miao星xing空kong，在zai空kong蕩dang蕩dang的de星xing際ji空kong間jian
，有you許xu多duo肉rou眼yan不bu可ke見jian的de微wei觀guan高gao能neng粒li子zi在zai以yi接jie近jin光guang速su飛fei行xing。平ping均jun而er言yan
，這zhe些xie粒li子zi可ke以yi在zai銀yin河he係xi內nei飛fei行xing百bai萬wan年nian

，其qi中zhong有you極ji少shao部bu分fen粒li子zi與yu地di球qiu不bu期qi而er遇yu，成cheng為wei地di球qiu上shang神shen秘mi的de“天外來客”。

1911年

，奧地利物理學家赫斯乘坐氣球，飛行到5千米的高空，首次發現這位來自宇宙的“客人”，這位“客人”被命名為“宇宙線”，赫斯也因宇宙線的發現獲得了1936年的諾貝爾物理學獎。這一發現開啟了人類探索宇宙奧秘的新篇章。

近日
，國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站拉索（LHAASO）正式通過性能工藝驗收
，這標誌著拉索已經建成
，並正式進入科學運行階段。建在4000米mi高gao海hai拔ba山shan端duan的de拉la索suo，以yi探tan索suo高gao能neng宇yu宙zhou線xian起qi源yuan以yi及ji相xiang關guan的de高gao能neng天tian體ti演yan化hua和he暗an物wu質zhi研yan究jiu為wei核he心xin科ke學xue目mu標biao，正zheng式shi開kai始shi科ke學xue運yun行xing後hou每mei天tian可ke以yi積ji累lei1.7億個超高能宇宙線事例和20多億個甚高能宇宙線事例。

什麼是宇宙線
？

赫he斯si是shi通tong過guo宇yu宙zhou線xian在zai空kong氣qi中zhong產chan生sheng的de電dian離li效xiao應ying來lai證zheng明ming其qi存cun在zai的de，隨sui後hou產chan生sheng的de首shou個ge問wen題ti就jiu是shi宇yu宙zhou線xian是shi什shen麼me粒li子zi
，這zhe個ge問wen題ti困kun擾rao了le人ren類lei很hen長chang時shi間jian。

剛開始
，大多數人誤認為它是來自宇宙的一種遠高於X射線的高頻電磁輻射
，“宇宙線（即宇宙射線）”這個名字就是美國實驗物理學家密立根在1925年首次提出
，雖然這是當時對宇宙線的一種錯誤認識，但是這個名字一直沿用至今。

1932年(nian)
，美(mei)國(guo)物(wu)理(li)學(xue)家(jia)康(kang)普(pu)頓(dun)組(zu)織(zhi)了(le)大(da)量(liang)人(ren)力(li)對(dui)地(di)球(qiu)上(shang)不(bu)同(tong)地(di)理(li)緯(wei)度(du)的(de)宇(yu)宙(zhou)線(xian)強(qiang)度(du)進(jin)行(xing)了(le)測(ce)量(liang)
，發(fa)現(xian)了(le)地(di)球(qiu)磁(ci)場(chang)對(dui)宇(yu)宙(zhou)線(xian)強(qiang)度(du)的(de)調(tiao)製(zhi)效(xiao)應(ying)，判(pan)定(ding)原(yuan)初(chu)的(de)宇(yu)宙(zhou)線(xian)是(shi)帶(dai)電(dian)粒(li)子(zi)，而(er)不(bu)是(shi)光(guang)子(zi)。

如今，人類可以利用先進的粒子鑒別技術，搭載高空氣球
、衛星或空間站到大氣層頂部直接測定宇宙線的種類
，知道了宇宙線主要是由帶正電的原子核組成

，其中含量最高的是質子（即氫原子核），還有元素周期表中的多種原子核，還包含少量光子、電子、中微子以及反粒子等。

在人造粒子加速器誕生之前的時代

，宇宙線是唯一的高能粒子源，是人類研究高能微觀粒子與物質相互作用規律的唯一工具。20世紀60年代，人造加速器的發展和粒子對撞機的出現，讓宇宙線在粒子物理中的作用被取代，宇宙線的研究也逐漸轉向粒子天體物理方麵。

宇宙線源自何方

？

迄今為止，人們觀測到的宇宙線粒子的最高能量已達到1020電子伏特（eV），是人類最大的粒子加速器——歐洲核子中心大型強子對撞機所能加速粒子能量的1000wanbei。zhemegaonengliangdeyuzhouxianqiyuanyushenmetianti？tamenshiruhebeijiasudaojiduangaodenengliangde
？zhexiewentichangqituidongzherenleiqutansuoyuzhouhedazirandeaomi，qizhongzuijibenzuihexindewentishiqiyuanwenti
，beichengwei“世紀之謎”。

yuzhouxianweidaidianlizi，zaichuanboguochengzhonghuibeiyuzhoukongjianzhongdecichangyingxianghoupianzhuanyundongfangxiangjinershiquyuantouweizhixinxi，suoyitongguoyuzhouxianlizitancebingbunengzhaodaoyuzhouxiandeqiyuantianti。yuzhouxiandenengpucong1011eV到1020eV大體呈現為冪律形式
，表現為非熱加速起源特性。中間有兩個明顯特征：在1015eV附近能譜變軟
，呈現出“膝”形結構
；在1018eV附近能譜變硬，呈現出了“踝”形結構
，這些結構蘊含關於宇宙線起源的重要信息。根據銀河係內天體的尺度和磁場強度對宇宙線加速上限的估計，一般認為，“膝”區能量及以下的宇宙線起源於銀河係內的天體源
，而“踝”區能量以上的宇宙線起源於銀河係外。

宇yu宙zhou線xian的de測ce量liang特te征zheng說shuo明ming其qi起qi源yuan於yu非fei熱re輻fu射she過guo程cheng，而er且qie能neng量liang非fei常chang高gao。人ren類lei根gen據ju對dui太tai陽yang的de認ren識shi，認ren為wei普pu通tong的de恒heng星xing不bu可ke能neng把ba粒li子zi加jia速su到dao如ru此ci高gao的de能neng量liang。因yin此ci，宇yu宙zhou線xian的de發fa源yuan地di必bi然ran進jin行xing著zhe極ji端duan劇ju烈lie的de變bian化hua或huo者zhe具ju備bei極ji端duan的de物wu理li條tiao件jian。根gen據ju伽jia馬ma射she線xian天tian文wen觀guan測ce結jie果guo，目mu前qian的de候hou選xuan天tian體ti主zhu要yao有you超chao新xin星xing及ji其qi遺yi跡ji星xing雲yun
、脈衝星及其風雲、年輕大質量星團、雙星係統、伽馬射線暴、活動星係核等
，這些候選源的共同特征是存在強激波。

如何探尋宇宙線？

高能伽馬天文、高能中微子天文、極高能宇宙線天文是尋找宇宙線起源的三大重要支柱。高能中微子和極高能宇宙線天體源的探測可以為宇宙線起源探索提供“一錘定音”的證據。

此ci外wai，伽jia馬ma射she線xian是shi示shi蹤zong其qi父fu輩bei帶dai電dian粒li子zi加jia速su的de重zhong要yao探tan針zhen，這zhe些xie伽jia馬ma射she線xian天tian體ti源yuan為wei宇yu宙zhou線xian起qi源yuan天tian體ti的de尋xun找zhao提ti供gong了le重zhong要yao的de候hou選xuan天tian體ti。伽jia馬ma輻fu射she存cun在zai兩liang種zhong可ke能neng的de起qi源yuan：一是高能電子與低能光子逆康普頓散射過程產生
，即輕子起源
；二是高能強子宇宙線與周圍物質通過強子—強子相互作用的次級中性π介子衰變產生
，即強子起源。

強(qiang)子(zi)宇(yu)宙(zhou)線(xian)在(zai)宇(yu)宙(zhou)線(xian)占(zhan)據(ju)絕(jue)對(dui)主(zhu)導(dao)份(fen)額(e)，宇(yu)宙(zhou)線(xian)起(qi)源(yuan)問(wen)題(ti)的(de)研(yan)究(jiu)就(jiu)是(shi)尋(xun)找(zhao)強(qiang)子(zi)宇(yu)宙(zhou)線(xian)的(de)起(qi)源(yuan)天(tian)體(ti)。所(suo)以(yi)通(tong)過(guo)伽(jia)馬(ma)射(she)線(xian)觀(guan)測(ce)尋(xun)找(zhao)宇(yu)宙(zhou)線(xian)起(qi)源(yuan)的(de)重(zhong)點(dian)就(jiu)是(shi)確(que)定(ding)伽(jia)馬(ma)射(she)線(xian)的(de)輻(fu)射(she)機(ji)製(zhi)
，排(pai)除(chu)輕(qing)子(zi)起(qi)源(yuan)和(he)尋(xun)找(zhao)強(qiang)子(zi)起(qi)源(yuan)證(zheng)據(ju)
，但(dan)是(shi)這(zhe)同(tong)時(shi)也(ye)是(shi)難(nan)點(dian)所(suo)在(zai)，因(yin)為(wei)大(da)部(bu)分(fen)源(yuan)在(zai)GeV-TeV（1G=109，1T="1012"）能區，很難區分這兩種輻射機製，目前大部分伽馬射線源傾向於輕子源。

輕子輻射和強子輻射的一個區分點是在超高能區。高能電子在星際磁場與輻射場中的冷卻時標隨能量升高而變短，100TeV以上存在Klein-Nishina高能壓低效應，而強子源輻射的100TeV以上伽馬射線不存在這些問題

，因此超高能伽馬射線是目前通過伽馬射線確認宇宙線起源的希望，而且可以直接解決能量達PeV（1P＝1015）量級的銀河宇宙線起源問題，LHAASO就是為此目標而設計的。

拉索能做什麼
？

LHAASO作為近年來以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施
，探測麵積達到1.36平方千米
，是國際同類裝置西藏羊八井ASγ實驗的20倍和美國HAWC實驗的60倍。LHAASO在超高能區的靈敏度是國際同類裝置10倍以上
，同時也遠高於下一代大型切倫科夫望遠鏡陣列，預計未來相當長時間內在超高能區保持國際領先。此外
，LHAASO還是全球最靈敏的大視場甚高能伽馬射線探測裝置。

基於1/2陣列11個月數據，LHAASO取得了第一個突破性進展，並於2021年5月17日發布在《自然》上
，即發現了12個高顯著的穩定超高能伽馬射線源，其光子能譜一直延伸到1PeV附近未見明顯截斷
，從而確認了銀河係內首批PeV粒子宇宙加速器
，並揭示PeV加速器在銀河係內可能普遍存在。這些發現開啟了超高能伽馬天文觀測時代，表明年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈衝星風雲等是銀河係內加速超高能宇宙線的最佳候選天體，為破解宇宙線起源這個世紀之謎指明了方向。

這次成果還包括記錄到迄今人類觀測到的最高能量光子，能量達1.42±0.13PeV，該區內部大量存在恒星生生死死的劇烈活動

，具有複雜的強激波環境
，是理想的宇宙線加速場所。如果LHAASO未來進行深入觀測
，則有可能為強子輻射起源提供強有力證據，將成為解開“世紀之謎”的突破口。

2021年7月9日，《科學》發布了LHAASO的de第di二er個ge重zhong要yao科ke學xue成cheng果guo，測ce量liang了le高gao能neng天tian文wen學xue標biao準zhun燭zhu光guang蟹xie狀zhuang星xing雲yun的de最zui高gao能neng量liang端duan能neng譜pu，此ci次ci研yan究jiu不bu但dan確que認ren了le此ci範fan圍wei內nei其qi他ta實shi驗yan幾ji十shi年nian的de觀guan測ce結jie果guo
，還hai將jiang標biao準zhun燭zhu光guang的de測ce量liang範fan圍wei由you0.3PeV拓展至1.1PeV。

LHAASO預期每年可以記錄到1—2個來自蟹狀星雲的PeV光子，未來幾年內將可以探索更多關於PeV粒子加速的奧秘。

LHAASO是目前和未來20年內最強的超高能伽馬射線探測裝置，部分陣列近1年觀測已經接連取得突破性進展，其全陣列已於2021年7月正式開始運行，未來有望帶領我們揭開銀河係內宇宙線起源這一“世紀之謎”
，並在超高能伽馬波段這一最高能量電磁波窗口探索浩瀚宇宙。