超高能光子的“加速度”究竟是誰(shuí)給的？
5月17日，記者從中國科學(xué)院高能物理研究所新聞發(fā)布會(huì )獲悉，國家重大科技基礎設施高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站“拉索”（LHAASO）在銀河系內發(fā)現2個(gè)能量超過(guò)1拍電子伏特（PeV，1000萬(wàn)億電子伏特）的光子，這2個(gè)超高能光子分別來(lái)自天鵝座和蟹狀星云，其中1個(gè)光子能量高達1.4 PeV。
這是人類(lèi)迄今觀(guān)測到的最高能量光子，突破了人類(lèi)對銀河系粒子加速的傳統認知，開(kāi)啟了超高能伽馬天文學(xué)的新時(shí)代。相關(guān)研究成果在線(xiàn)發(fā)表于《自然》雜志。
對此，《自然》物理科學(xué)總編輯卡爾·澤梅里斯評論道，這些激動(dòng)人心的發(fā)現盡管還很初步，但卻因為部分建成的“拉索”的觀(guān)測工作才成為可能。未來(lái)待“拉索”全部完工后，相信還會(huì )發(fā)現更多這樣的伽馬源。這些發(fā)現讓我們離了解高能宇宙線(xiàn)起源又近了一步。
過(guò)去預言的宇宙線(xiàn)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(xiàn)觀(guān)測裝置，目前尚在建設中。宇宙線(xiàn)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(jīng)建成的1/2規模探測裝置11個(gè)月的觀(guān)測數據，科學(xué)家發(fā)現了12個(gè)穩定伽馬射線(xiàn)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(lèi)從未見(jiàn)過(guò)的1.4 PeV的最高能量伽馬光子。
“這些發(fā)現表明銀河系內普遍存在能夠將粒子加速至能量超過(guò)1 PeV的加速器，并不存在一個(gè)過(guò)去預言的銀河系宇宙線(xiàn)加速源能量極限，打開(kāi)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(xué)家曹臻說(shuō)。
此前，銀河系內的宇宙線(xiàn)加速源存在能量極限是個(gè)“常識”，過(guò)去預言的極限就在1PeV附近，導致伽馬射線(xiàn)能譜在0.1 PeV以上有“截斷”現象。“拉索”的發(fā)現完全突破了這個(gè)“極限”，觀(guān)測到的伽馬射線(xiàn)能譜在0.1 PeV以上并有沒(méi)有“截斷”現象，確定了銀河系宇宙線(xiàn)加速源不存在PeV以下的加速極限。
“‘拉索’的新發(fā)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(zhì)量星團、超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云等是銀河系超高能宇宙線(xiàn)起源的最佳候選天體，這就向著(zhù)解決宇宙線(xiàn)起源這一科學(xué)難題邁出了至關(guān)重要的一步。”曹臻說(shuō)。
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(xué)的一座里程碑，承載著(zhù)伽馬天文界的夢(mèng)想，長(cháng)期以來(lái)一直是伽馬天文發(fā)展的強大驅動(dòng)力。
事實(shí)上，上世紀80年代伽馬天文學(xué)爆發(fā)式發(fā)展一個(gè)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(gè)具有大量大質(zhì)量恒星的星團，大質(zhì)量恒星的壽命只有百萬(wàn)年的量級，因此星團內部充滿(mǎn)大量恒星生生死死的劇烈活動(dòng)，具有復雜的強激波環(huán)境，是理想的宇宙線(xiàn)加速場(chǎng)所，被稱(chēng)為“粒子天體物理實(shí)驗室”。
“拉索”在天鵝座恒星形成區首次發(fā)現PeV伽馬光子，使得這個(gè)本來(lái)就備受關(guān)注的區域成為超高能宇宙線(xiàn)源的最佳候選者。該區域以后自然是“拉索”以及相關(guān)的多波段觀(guān)測乃至于多信使天文學(xué)的巨大熱門(mén)，有望成為解開(kāi)“世紀之謎”的突破口。
同時(shí)，歷史上對蟹狀星云大量的觀(guān)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(xiàn)源，跨越22個(gè)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(gè)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(xué)數據中心
是幕后支撐者
這一發(fā)現離不開(kāi)海量數據的支撐以及高效的數據處理平臺。
“拉索”實(shí)驗的數據產(chǎn)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(xué)數據，國家高能物理科學(xué)數據中心為“拉索”建立了完整的數據服務(wù)平臺，實(shí)現數據的采集、匯交、存儲、共享及處理。“拉索”數據服務(wù)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(diǎn)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(gè)。”國家高能物理科學(xué)數據中心主任陳剛介紹。
高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測站“拉索”
建立在“拉索”觀(guān)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(fēng)冷制冷技術(shù)存在CPU局部過(guò)熱問(wèn)題，會(huì )導致CPU降頻或者死機。浸泡式液冷技術(shù)需要采用特定的硬件及泵站，維護復雜，不能滿(mǎn)足無(wú)人值守的需要。
“為此，我們采用中科院電工所先進(jìn)的表貼式無(wú)泵自循環(huán)蒸發(fā)冷卻系統，并將熱量排放到裝配大廳，實(shí)現余熱利用，綠色節能，無(wú)人值守，維護方便，高海拔數據中心的創(chuàng )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(shuō)道。
責編：梅亞川
