《Nature》：重大发现！

国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”（LHAASO）在银河系内发现大量超高能宇宙加速器，并记录到能量达1.4拍电子伏（PeV，拍=千万亿）的伽马光子，相当于可见光能量的千万亿倍！这是人类迄今观测到的最高能量光子，突破了对银河系粒子加速的传统认知，开启了“超高能伽马天文学”时代。这些发现于5月17日发表在《自然》（Nature）上。

该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成。LHAASO尚在建设中，这次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置在2020年内 11个月的观测数据。

科学家此次发现的最高能量光子来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区，还发现了12个稳定伽马射线源，光子能量一直延伸到1 PeV附近，这是位于LHAASO视场内最明亮的一批银河系伽马射线源，测到的伽马光子信号高于背景7倍标准偏差以上，源的位置测量精度优于0.3°。

虽然这次使用的数据还很有限，但所有能被LHAASO观测到的源都具有0.1 PeV以上的伽马辐射，也叫“超高能伽马辐射”。这表明银河系内遍布拍电子伏加速器（PeVatron），而人类目前在地球上建造的最大加速器——欧洲核子研究中心的大型强子对撞机（LHC）只能将粒子加速到0.01 PeV，此次记录到能量达1.4PeV，是人类目前能达到的140倍。银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”，过去预言的极限就在PeV附近，从而预言的伽马射线能谱在0.1 PeV附近会有“截断”现象，而LHAASO的结果完全突破了这个“极限”。

这些发现开启了“超高能伽马天文”观测时代，表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体，有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。LHAASO的研究结果表明，科学家们需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制，进一步研究极端天体现象及其相关的物理过程，并在极端条件下检验基本物理规律。

理论上，单个光子的能量似乎没有上限，著名科幻小说《三体》中描绘说，宇宙中的超级文明通过释放“光粒”就能摧毁一颗恒星。但现实中，来自银河系外的高能光子的能量有一个较明确的上限，这个上限是由于宇宙中到处充斥着宇宙微波背景辐射的缘故。微波背景辐射无处不在，古老电视屏幕跳动的雪花中，大约有1%是由于微波背景辐射干扰的结果。当高能光子遇到宇宙微波背景辐射中的这些低能光子时，就会发生碰撞消耗能量。理论上，当光子的能量达到拍电子伏特时，就会被限制。也就是说，这次我国科学家触碰到了高能光子能量的实际上限，极限附近最容易发现新物理，当然意义重大了。

因此，该发现改变了人类对银河系的传统认知，也开启了“超高能伽马天文学”时代。此外，超高能宇宙线的来源和产生机制一直困扰着高能天体物理学家。其实，宇宙中能量更高的射线是高能质子，人类早已探测到能量比这次“拍电子伏特光子”能量还高数万倍的高能质子，这种微观粒子的能量可相当于一枚飞行的棒球。但质子是带电荷的，它们在宇宙中穿行的过程中会受到星际磁场的偏转，因此无法追溯其来源，也就无法研究其产生机制。高能光子则不一样，它们是不带电的，能够追溯其起源的地方，也就为研究超高能宇宙线的加速机制锁定了研究对象。

LHAASO是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，占地面积约1.36平方公里，是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列（简称KM2A）、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。LHAASO采用这四种探测技术，可以全方位、多变量地测量宇宙线。其核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动，并寻找暗物质；广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源，精确测量它们从低于1 TeV（1万亿电子伏，也叫“太电子伏”）到超过1 PeV的宽广能量范围内的能谱；测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱，揭示宇宙线加速和传播的规律，探索新物理前沿。