拉索解密宇宙线起源
摘要
宇宙线是来自外太空的带电粒子。宇宙线从发现至今已有百年历史，但是我们依然无法确定这些高能粒子来源。因此宇宙线起源也被称为世纪之谜，同时也是粒子天体领域最前沿的课题之一。地球附近测量到的宇宙线流强随能量分布在PeV之前近似满足幂率分布，在PeV附近有个“拐折”，被称为宇宙线“膝”。一般认为PeV之前的宇宙线起源于银河系，也就是说银河系存在可以将带电粒子加速到PeV的天体（PeVatron），而寻找PeVatron也是理解银河系宇宙线起源的关键。受限制于仪器灵敏度的限制，科学家一直没有找到PeVatron存在的直接证据。高海拔宇宙线观测站是工作在超高能段（UHE）的灵敏度最高的伽马射线探测仪器，其灵敏度要比目前正在运行的探测器高至少一个量级。LHAASO从2020年开始运行。通过约4年的数据，LHAASO在天鹅座区域发现一个尺度延伸到几百pc的巨型超高能伽马射线泡状结构。伽马射线的空间分布与物质分布密切相关，从而强烈支持其强子起源。此外，在该区域探测到8个能量高于1 PeV的光子。伽马射线的能谱一直延伸到几个PeV而没有截断迹象。 原则上产生伽马光子的质子能量要比伽马光子本身的能量高约10倍。 因此，通过伽马光子能量可以反推出该区域至少存在可以将宇宙线加速到几十PeV的天体。 通过伽马射线的形态分布我们可以将加速源位置定位到泡状结构中心。 而位于伽马射线泡状结构中心的大质量恒星集团，即Cygnus OB2，则是最可能的宇宙射线加速器候选体。 Cygnus OB2由许多年轻的、表面温度超过35,000°C（O型星）和15,000°C（B型恒星）的年轻大质量恒星组成。 这些恒星的辐射光度是太阳的数百万倍，巨大的辐射压力吹走了恒星的表面物质，形成速度每秒多达数千公里恒星风。 这些恒星风与周围星际介质之间的碰撞以及恒星风之间的剧烈碰撞创造了理想的加速粒子的环境。 这是第一次找到了银河系内带电粒子被加速到PeV以上能量的直接证据，从而极大地扩展了我们对银河系中宇宙射线的加速和传播过程理解。