稻城高海拔观测站探测到超高能伽马光子 银河系"超级加速器"研究获重要进展

问题——看似宁静的夜空之下,高能粒子一直在抵达地球。1912年,奥地利科学家赫斯通过高空气球实验发现高空电离辐射明显增强,宇宙射线由此进入科学视野。它们以质子等带电粒子为主,接近光速进入大气后会触发级联反应,产生次级粒子“簇射”。在强太阳活动或极端空间环境条件下,宇宙射线及对应的辐射过程会对卫星电子器件、导航通信链路和载人航天的辐射防护提出更高要求。然而,究竟哪些天体能把粒子加速到极端能量,并向银河系持续注入宇宙射线,长期以来仍缺少直接证据。 原因——“追源难”首先来自带电粒子的天然“迷路”。银河系磁场及局域磁场会显著偏转宇宙射线的传播路径,粒子到达地球时往往已丢失来向信息。相比之下,伽马射线不带电,传播路径更接近直线,可作为“指路牌”。但超高能伽马射线在远距离传播中会与背景光子相互作用而衰减,因此能被地球探测到的超高能伽马光子通常意味着其源区位于银河系内。此物理限制为锁定候选源划定了边界。 影响——我国观测设施正在打开“能量极限”的新窗口。位于四川稻城高海拔地区的拉索,通过广域阵列对大气簇射进行高灵敏度观测。运行以来,拉索探测到能量达到1.4拍电子伏特(PeV)量级的伽马光子,并陆续绘制出多处超高能伽马源。相关结果表明,宇宙中确实存在可将粒子加速到PeV量级的“PeVatron”加速器,其能量尺度远超地面大型加速器能力范围,为回答“宇宙粒子能量从何而来”提供了关键证据。更值得关注的是,多个源区的集中出现提示:银河系的高能加速并非依赖单一“发动机”,而可能由一批分布式加速场共同贡献。 对策——以多波段、多信使联合观测推进“从发现到定源”。现有研究认为,超新星遗迹激波、脉冲星风云以及黑洞候选系统,都可能在不同条件下承担粒子加速角色:超新星遗迹可通过激波的反复散射加速粒子,但往往需要与分子云等致密介质相互作用以提高辐射效率;脉冲星依靠强磁场和快速自转可形成高电势差区域,驱动粒子获得极高能量;部分黑洞系统的喷流与吸积过程则可能提供更极端的加速环境。下一步,需要将拉索的高能伽马观测与射电、X射线、甚高能观测以及中微子探测等相互印证,建立源区能谱、时变特征与空间形态之间的对应关系。针对个别目标,如天鹅座X-3等双星系统出现的周期性信号线索,也可能成为检验“喷流加速—辐射产生”链条的突破点。 前景——从“宇宙射线之谜”走向“银河系高能生态图谱”。随着观测时间积累,以及算法、标定和联合分析能力提升,拉索及国内外同类装置有望继续区分不同源类对宇宙射线能谱的贡献,厘清从TeV到PeV能段的关键转折机制,并推动高能天体物理、粒子物理与空间环境科学的交叉研究。同时,这些成果也将为深空探测与载人航天的辐射风险评估提供更可靠的背景模型,支撑国家重大科技任务。

从百年前的热气球实验到今天的平方公里级观测阵列,人类对宇宙射线的认识在技术迭代中不断推进;此次中国科学家的进展不仅补上了基础研究中的关键证据链,也说明了大科学装置在探索自然规律中的独特价值。随着更多数据持续积累,夜空中关于宇宙极端环境的线索仍将被更揭开。