超级宇宙线起源天体首次被找到，藏在天鹅座“大泡泡”中

宇宙线是从外太空来的带电粒子，宇宙线的起源是当代天体物理学最重大的前沿科学问题之一。

记者从中国科学院高能物理研究所获悉，高海拔宇宙线观测站在银河系天鹅座恒星形成区发现了一个“大泡泡”，它的质量是太阳系的几百万倍，“拉索”国际合作组由此在历史上首次发现，“泡泡”中藏着超级宇宙线的起源天体。该成果于2月26日以封面文章的形式在《Science Bulletin》上正式发表。

何种天体将宇宙线加速到超高能？

宇宙中，无数神秘的粒子正以接近光的速度飞驰，这些神秘的粒子就是宇宙线，其主要成分为质子，它们时刻造访地球。早期宇宙线的发现，促成了粒子物理学的成型和高能人工加速器的出现。宇宙线的特点是能量非常高。目前能量最高的粒子是欧洲大型强子对撞机加速器加速出来的，而宇宙线的能量要比它高出几千万倍。

宇宙中哪些天体是宇宙线的起源？这些天体为什么能加速如此高能量的粒子？是怎么加速的？要回答这些问题，需要探测超高能宇宙线。“拉索”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，是国际上最灵敏的超高能伽马射线探测装置。它通过分析探测宇宙线在大气中或到达地面后留下的痕迹，反推它们的性质和起源。

中国科学院院士、高能物理研究所研究员曹臻是论文的通讯作者之一。据他介绍，测量发现，宇宙线的能谱在1千万亿电子伏附近呈现出一个拐折结构，因其形状类似膝关节而被称为宇宙线能谱的“膝”。

科学家们认为，能量比“膝”低的宇宙线起源于银河系内的天体，而“膝”的存在也表明银河系大部分的宇宙线起源天体加速质子的能量极限在1千万亿电子伏左右。然而，究竟是何种天体能把宇宙线能量加速到这么高，形成“膝”的能谱结构，仍然是一个未解之谜，也是近年来宇宙线研究中最引人关注的课题之一。

2021年，“拉索”在银河系内发现了大量超高能宇宙线加速器候选天体，并记录到最高1.4PeV的伽马光子。

“大泡泡”内藏着宇宙线起源

随着观测数据的积累，“拉索”在银河系天鹅座恒星形成区发现了巨型超高能伽马射线泡状结构。这个“大泡泡”的直径是1000光年，质量是太阳系的几百万倍，其内部有多个能量超过1千万亿电子伏的光子，最高达到2千万亿电子伏。

一般来说，产生能量为2千万亿电子伏的伽马光子，需要能量至少高10倍的宇宙线粒子。这表明，泡的内部存在超级宇宙线加速器，源源不断地产生能量至少达到2亿亿电子伏的高能宇宙线粒子，并注入到星际空间。

这些高能宇宙线与星际空间中的气体物质发生碰撞产生伽马光子，光子的数目与周围气体的分布呈现清晰的关联，而位于泡中心附近的大质量恒星星团则是超级宇宙线加速器最可能的对应天体。

大质量恒星星团形成极端环境，成为粒子加速器

天体加速宇宙线的条件、环境和过程是什么样的？

曹臻在阐释“加速机制”时表示，星协是由很多年轻、炽热的大质量恒星组成的密集星团。这些大质量恒星包括表面温度超过约3万5千度的恒星和表面温度超过约1万5千度的恒星。它们的寿命只有几百万年，星团内部充满了恒星生生死死的剧烈活动，具有复杂的强激波环境，是理想的宇宙线加速场所。

这些恒星的辐射强度是太阳的百倍至百万倍，巨大的辐射压将恒星表面物质吹出，形成了强烈的星风，速度可达每秒上千公里。星风与周围星际介质的碰撞以及星风之间的猛烈碰撞产生了强激波、强湍流的极端环境，成为强大的粒子加速器。这是迄今为止人们能够认证的第一个超级宇宙线加速源。

通过这次研究，科研人员还有一个重要的发现——宇宙线的扩散速度要远比原来认为的慢。“打比方说，就好比将一滴墨汁注入清水中，如果扩散很快，立刻就变成了墨水，就不能看见最初放入的那一滴墨了，如果宇宙线也扩散得快，我们就无法在恒星形成区附近看到巨型超高能伽马射线泡状结构，所以其扩散速度比我们原来认识的要慢100倍。”他说。

随着观测时间的增加，未来“拉索”将可能探测到更多的千万亿电子伏乃至更高能量宇宙线的加速源，有望解决银河系宇宙线起源之谜。