从1912到2025,宇宙射线起源探索终突破,中国观测站功不可没

发布者:不虚此行 2025-11-30 10:10

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2025年11月,四川稻城亚丁海拔4410米的高原上,LHAASO观测站的探测器突然记录到一串异常数据。

这个由数千个闪烁体和水切伦科夫探测器组成的“巨型眼睛”,死死盯住了银河系某个角落后来被命名为“1LHAASOJ0343+5254u”的天体源,正向外喷射能量高达100万亿电子伏的伽马射线。

这个发现,让全球高能天体物理学家集体失眠,因为它可能解开一个113年的老谜题,宇宙射线到底从哪来。

1912年,奥地利物理学家维克托·赫斯坐着热气球上天,发现海拔越高,验电器放电越快,这才意识到宇宙中存在穿透能力极强的辐射后来被称为宇宙射线。

但从那天起,科学家就像一群找不到发射台的听众,只知道信号来自太空,却不知道具体源头在哪。

超新星遗迹、黑洞吸积盘、星系碰撞……各种猜测都有,可谁都拿不出实锤证据。

这次LHAASO的发现,有点不一样。

它不是模糊的信号,而是清晰的“指纹”。

研究团队花了整整半年时间分析数据,排除了仪器误差、背景辐射等干扰因素,最后确认这个伽马射线源的能量达到了拍电子伏级别1拍电子伏等于1000万亿电子伏,比人类最大的粒子加速器LHC产生的能量还高上百倍。

更关键的是,这个源的位置和一个已知的脉冲星风星云完全重合。

从“猜谜”到“破案”

光有伽马射线信号还不够,就像警察办案得找更多证据链。

密歇根州立大学的斯蒂芬·迪克比团队带着XMM-牛顿望远镜跟进了。

这个在太空中运行了20多年的“老伙计”,专门捕捉天体发出的X射线。

他们对着“1LHAASOJ0343+5254u”源连续观测了120千秒,相当于33个小时,终于在X射线波段找到了对应的脉冲星风星云特征。

脉冲星风星云是个什么东西?简单说,它是脉冲星周围的“能量泡泡”。

脉冲星其实是旋转的中子星,密度极高,一颗城市大小的脉冲星质量能抵得上太阳。

它旋转时会甩出带电粒子流,这些粒子流和周围的星际介质碰撞、减速,就形成了星云。

以前科学家知道这种星云能量很高,但没人想到它能把粒子加速到拍电子伏级别。

张硕团队的研究方法挺有意思,他们没只盯着一个观测设备的数据,而是搞起了“跨学科协作”。

中国的LHAASO负责伽马射线,欧洲的XMM-牛顿抓X射线,连本科生都参与进来了密歇根州立大学的学生团队用雨燕卫星又做了次观测,虽然没探测到新信号,但这个“零结果”反而帮了大忙。

它排除了其他可能的辐射机制,让脉冲星风星云的“加速能力”更可信了。

“天然加速器”的工作原理,脉冲星风星云的“弹弓效应”

要理解脉冲星风星云怎么加速粒子,得先想象一个场景,你手里拿着根绳子,绳子另一头拴着块石头,甩得越快,石头飞出去的速度就越快。

脉冲星风星云里的磁场,就像这根绳子,带电粒子在磁场里被高速旋转的脉冲星“甩动”,不断获得能量。

同时,星云里的激波也就是粒子流和星际介质碰撞产生的冲击波,会像一堵墙,把粒子“反射”回来,反复加速,最后达到极高能量。

人类造的加速器和这个“天然加速器”比,简直是玩具。

LHC用27公里的环形隧道加速粒子,最高能量也就14万亿电子伏,而这个脉冲星风星云能把粒子加速到1000万亿电子伏以上。

关键是它还不用耗电,完全靠天体自身的引力和磁场驱动,这效率,人类工程师看了都得佩服。

以前大家觉得,宇宙射线里的高能粒子可能来自银河系外,毕竟银河系里好像没这么强的“发动机”。

但这次发现把范围缩小到了银河系内“1LHAASOJ0343+5254u”源距离地球大约2.8万光年,就在银河系的英仙臂上。

这意味着,我们头顶的银河系里,可能藏着很多这样的“天然加速器”,只是以前没被发现而已。

现在天文学家搞研究,早就不单打独斗了。

LHAASO看伽马射线,XMM-牛顿看X射线,还有南极的冰立方中微子天文台盯着中微子。

这些不同波段的观测数据拼在一起,就像给宇宙射线源做了个“全身CT”,能量怎么产生的、粒子怎么加速的、怎么传播到地球的,都看得更清楚了。

这种“多信使天文学”,以后肯定是研究高能天体物理的主流。

这次发现对普通人有啥意义?可能短期内看不到直接应用,但基础科学的突破从来都是这样,就像当年发现电磁感应时,没人想到后来会有发电机、手机。

宇宙射线研究能帮我们理解星系演化这些高能粒子会影响星际介质的化学组成,甚至可能和恒星形成有关。

说不定未来还能帮我们找到暗物质,毕竟暗物质和高能粒子的相互作用,可能就藏在这些宇宙射线信号里。

科学家已经在规划下一步了。

他们打算建一个“银河系高能粒子源目录”,把所有能加速到拍电子伏级别的天体都列出来,看看这些“天然加速器”有什么共性。

中国也在推进下一代观测设备,比如升级LHAASO的探测器,提高能量分辨率,欧洲和美国则计划发射新的X射线卫星,专门研究脉冲星风星云的磁场结构。

科学探索就是这样,一个谜题解开,新的谜题又会冒出来。

比如这个脉冲星风星云的磁场强度到底有多大?粒子加速的具体细节是怎样的?银河系里还有多少类似的“加速器”?这些问题都等着答案。

但不管怎么说,从1912年赫斯的热气球实验,到2025年LHAASO的拍电子伏发现,这113年的探索至少告诉我们,宇宙虽然神秘,但只要一步步扎实走,总能揭开它的面纱。

说不定再过十年,我们就能把宇宙射线的“发射台”地图完整画出来,到时候再回头看,这次发现可能只是个开始。

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