超高能光子的“加速度”究竟是誰給的?

5月17日，記者從中國科學院高能物理研究所新聞發布會獲悉，國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線觀測站“拉索”(LHAASO)在銀河系內發現2個能量超過1拍電子伏特(PeV，1000萬億電子伏特)的光子，這2個超高能光子分別來自天鵝座和蟹狀星云，其中1個光子能量高達1.4 PeV。這是人類迄今觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統認知，開啟了超高能伽馬天文學的新時代。相關研究成果在線發表于《自然》雜志。

對此，《自然》物理科學總編輯卡爾·澤梅里斯評論道，這些激動人心的發現盡管還很初步，但卻因為部分建成的“拉索”的觀測工作才成為可能。未來待“拉索”全部完工后，相信還會發現更多這樣的伽馬源。這些發現讓我們離了解高能宇宙線起源又近了一步。

過去預言的宇宙線加速源能量極限并不存在

“拉索”位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，是世界上最大的高海拔宇宙線觀測裝置，目前尚在建設中。宇宙線是一種帶電粒子，在宇宙中以接近光速的速度飛行。

利用“拉索”已經建成的1/2規模探測裝置11個月的觀測數據，科學家發現了12個穩定伽馬射線源，它們都具有超高能光子輻射，并且都穩定地延伸到PeV附近，甚至“拉索”還探測到迄今人類從未見過的1.4 PeV的最高能量伽馬光子。

“這些發現表明銀河系內普遍存在能夠將粒子加速至能量超過1 PeV的加速器，并不存在一個過去預言的銀河系宇宙線加速源能量極限，打開了‘超高能伽馬’這一高能天文窗口。”中科院高能所研究員、“拉索”首席科學家曹臻說。

此前，銀河系內的宇宙線加速源存在能量極限是個“常識”，過去預言的極限就在1PeV附近，導致伽馬射線能譜在0.1 PeV以上有“截斷”現象。“拉索”的發現完全突破了這個“極限”，觀測到的伽馬射線能譜在0.1 PeV以上并有沒有“截斷”現象，確定了銀河系宇宙線加速源不存在PeV以下的加速極限。

“‘拉索’的新發現表明，以天鵝座恒星形成區的天體群、蟹狀星云等為代表的年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系超高能宇宙線起源的最佳候選天體，這就向著解決宇宙線起源這一科學難題邁出了至關重要的一步。”曹臻說。

PeV伽馬光子首現天鵝座區域和蟹狀星云

PeV光子的探測是伽馬天文學的一座里程碑，承載著伽馬天文界的夢想，長期以來一直是伽馬天文發展的強大驅動力。

事實上，上世紀80年代伽馬天文學爆發式發展一個重要的誘因就是挑戰PeV光子極限。天鵝座恒星形成區是銀河系在北天區最亮區域之一，擁有多個具有大量大質量恒星的星團，大質量恒星的壽命只有百萬年的量級，因此星團內部充滿大量恒星生生死死的劇烈活動，具有復雜的強激波環境，是理想的宇宙線加速場所，被稱為“粒子天體物理實驗室”。

“拉索”在天鵝座恒星形成區首次發現PeV伽馬光子，使得這個本來就備受關注的區域成為超高能宇宙線源的最佳候選者。該區域以后自然是“拉索”以及相關的多波段觀測乃至于多信使天文學的巨大熱門，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。

同時，歷史上對蟹狀星云大量的觀測研究，使之成為幾乎唯一具有清晰輻射機制的標準伽馬射線源，跨越22個量級的光譜精確測量清楚地表明其電子加速器的標志性特征，然而，“拉索”測到的超高能光譜，特別是PeV能量的光子，嚴重挑戰了這個高能天體物理的“標準模型”，甚至于對更加基本的電子加速理論提出了挑戰。

國家高能物理科學數據中心是幕后支撐者

這一發現離不開海量數據的支撐以及高效的數據處理平臺。

“拉索”實驗的數據產生率達到每秒10000兆比特以上，每年365天不間斷運行。為了高效管理和分析這些海量的科學數據，國家高能物理科學數據中心為“拉索”建立了完整的數據服務平臺，實現數據的采集、匯交、存儲、共享及處理。“拉索”數據服務平臺由稻城海子山、北京高能所雙數據中心以及合作單位的分布式計算站點組成。

“到目前為止，“拉索”積累的數據總量達到10PB，文件數達到2億個。”國家高能物理科學數據中心主任陳剛介紹。

建立在“拉索”觀測基地的稻城海子山數據中心海拔4410米，是全球最高的數據中心之一。雖然全年平均氣溫只有1度，但是空氣稀薄，傳統的風冷制冷技術存在CPU局部過熱問題，會導致CPU降頻或者死機。浸泡式液冷技術需要采用特定的硬件及泵站，維護復雜，不能滿足無人值守的需要。

“為此，我們采用中科院電工所先進的表貼式無泵自循環蒸發冷卻系統，并將熱量排放到裝配大廳，實現余熱利用，綠色節能，無人值守，維護方便，高海拔數據中心的創新運行模式有力保障了‘拉索’數據采集系統以及在站數據處理系統的穩定運行。”陳剛說道。

(陸成寬)