新星躋身宇宙線加速器行列

近日，科學(xué)家利用位于非洲納米比亞的伽馬射線天文臺，首次觀測到新星產(chǎn)生的沖擊波撕裂了其周圍的介質(zhì)，將粒子拉扯在一起并加速到極高能量，此次觀測到的伽馬射線，能量高達(dá)1012電子伏特，新星“蛇夫座RS”甚至可使粒子加速至理論極限速度。相關(guān)研究成果發(fā)表在國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。

“這項(xiàng)研究揭示了新星是甚高能（能量大于1011電子伏特）宇宙線加速器。”中國科學(xué)院高能物理研究所研究員陳松戰(zhàn)在接受科技日報(bào)記者采訪時(shí)表示，未來，可產(chǎn)生1012電子伏特伽馬射線的新星將會(huì)成為地面探測裝置的重要研究目標(biāo)。作為宇宙線加速器，新星還是一種理想的天體物理實(shí)驗(yàn)室，可以用于檢驗(yàn)激波加速粒子的現(xiàn)有理論。

加速能力弱而激波演變快

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，廣義的宇宙線由各種原子核以及非常少量的電子、光子和中微子等組成，狹義的宇宙線主要是指強(qiáng)子。

宇宙線也被稱作“銀河隕石”、傳遞宇宙大事件的“信使”。這是因?yàn)橛钪婢€本身就是組成宇宙天體的物質(zhì)成分，攜帶著宇宙起源、天體演化的寶貴信息來到地球。

“能夠產(chǎn)生高能宇宙粒子（包括強(qiáng)子和電子）的天體，被統(tǒng)稱為宇宙粒子加速器。其中，能夠產(chǎn)生強(qiáng)子的天體被稱為宇宙線加速器。”陳松戰(zhàn)表示，迄今為止，人們觀測到的宇宙線的最高能量已達(dá)到1020電子伏特，是目前人類最大的粒子加速器——歐洲核子中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)（LHC）所能加速粒子能量的1000萬倍。

1912年，奧地利科學(xué)家赫斯發(fā)現(xiàn)宇宙線，開辟了基本粒子研究的新領(lǐng)域，赫斯也因此獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。2004年，宇宙線起源及其加速機(jī)制，被確定為新世紀(jì)11個(gè)“世紀(jì)謎題”之一，科學(xué)家為此展開深入研究，希望能夠揭開宇宙線的身世之謎。

百年后的今天，人類對于宇宙線又有哪些新的認(rèn)知？

宇宙線很難被追根溯源。陳松戰(zhàn)表示，宇宙線主要是帶電粒子，在宇宙空間飛行時(shí)會(huì)受星際磁場影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，逐漸偏離最初的方向。因此，根據(jù)地球上觀測到的宇宙線到達(dá)地球的方向，很難反推出宇宙線發(fā)射源的方向。

好在宇宙線中的伽馬射線給科學(xué)家留了“一扇窗”。宇宙線會(huì)與其誕生處附近的星際氣體碰撞產(chǎn)生中性的高能伽馬射線，伽馬射線是由高能光子組成的粒子流，與帶電粒子不同，光子的傳播不受磁場影響，因此伽馬射線在宇宙空間沿直線傳播。“通過探測伽馬射線，就可以直接找到其父輩帶電粒子的加速源頭。”他說。

據(jù)了解，科學(xué)家已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了200個(gè)甚高能伽馬射線源，但它們只能被稱為宇宙線源候選體，因?yàn)槌钪婢€外，電子也會(huì)產(chǎn)生伽馬射線。

加速機(jī)制符合主流理論模型

陳松戰(zhàn)指出，目前粒子天體物理學(xué)最核心的問題，是尋找能夠加速強(qiáng)子到1015電子伏特及以上的宇宙線加速器。

在加速機(jī)制方面，陳松戰(zhàn)表示，宇宙粒子加速器是如何加速粒子的，仍然是目前科學(xué)研究中的前沿問題，已經(jīng)知道的是，不同種類天體的加速機(jī)制可能不同，但是新星、超新星及其遺跡為同類天體，其加速機(jī)制是一樣的。

普遍認(rèn)為，粒子是由新星、超新星及其遺跡拋出的高速物質(zhì)與周圍介質(zhì)碰撞產(chǎn)生的激波加速的，粒子反復(fù)穿越激波面逐步獲得能量，這就是耗散激波加速理論。陳松戰(zhàn)說，這是目前已知的非常有效的粒子加速機(jī)制，它可以將激波約10%的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為被加速粒子的能量。

宇宙粒子加速器主要有超新星爆發(fā)及其遺跡星云、脈沖星、伽馬射線暴、年輕大質(zhì)量星團(tuán)、活動(dòng)星系核等。一般認(rèn)為能量在1015電子伏特及以下的宇宙線，來源于銀河系內(nèi)天體，而更高能量的宇宙線來源于銀河系外天體。

此前觀測研究已表明，新星為GeV（10億電子伏特）宇宙粒子加速器，其加速粒子能力比上文提到的幾種天體弱很多。所以，在地面伽馬探測器觀測中很難被探測到。

陳松戰(zhàn)表示，此次最新研究是地面探測器首次觀測到來源于新星的、能量大于1011電子伏特的伽馬輻射，而宇宙線能量一般是其次級伽馬光子能量的10倍，所以通過探測到1012電子伏特的伽馬射線，證明了新星能夠加速宇宙線粒子到1013電子伏特，也就是說，新星成為了TeV（萬億電子伏特）宇宙線加速器。“盡管如此，新星其實(shí)還是相對比較弱的宇宙線加速器。”他解釋說，從能量上看，TeV與PeV（千萬億電子伏特）相比能量有些低；從宇宙線的流強(qiáng)（每秒每平方米到達(dá)地球上的宇宙線數(shù)目）上看，新星產(chǎn)生的宇宙線遠(yuǎn)少于地球觀測到宇宙線的總量。

那么，新星作為宇宙線加速器，其加速機(jī)制是怎樣的？陳松戰(zhàn)表示，新星一般產(chǎn)生于由白矮星和普通恒星組成的雙星系統(tǒng)中，是由吸積在白矮星表面的氫被白矮星高溫加熱造成劇烈的核子爆炸現(xiàn)象，爆炸時(shí)拋出的高速物質(zhì)與伴星星風(fēng)碰撞產(chǎn)生強(qiáng)激波，激波可以加速粒子。

“新星最大的特點(diǎn)是輻射存在快速演化現(xiàn)象，在‘天’的時(shí)間尺度上存在顯著變化，而超新星爆炸形成的激波會(huì)持續(xù)萬年。所以說，新星可以作為理想的天體物理實(shí)驗(yàn)室，來檢驗(yàn)現(xiàn)有的激波加速粒子理論。”陳松戰(zhàn)說。

觀測結(jié)果符合理論最高加速能量

是什么樣的天體在加速宇宙線？粒子是如何被加速到極端高能的？這是新世紀(jì)科學(xué)家需要解答的宇宙難題之一。

此次最新研究中，科學(xué)家給出的理論預(yù)期最高能量為1013電子伏特。陳松戰(zhàn)表示，這項(xiàng)研究中的宇宙粒子加速器的理論極限，其實(shí)是根據(jù)耗散激波加速理論估計(jì)的粒子最高加速能量得出的。

粒子能獲得的最高能量受激波的速度、存在時(shí)間及對粒子的束縛能力等條件限制。耗散激波加速理論根據(jù)拋出物的速度、質(zhì)量及其周圍介質(zhì)的密度等條件，對加速粒子的最高能量進(jìn)行估計(jì)。

科學(xué)家根據(jù)觀測到伽馬射線的最高能量來反推出其父輩粒子的能量，也就是在新星激波中加速粒子的能量，這個(gè)能量與耗散激波加速理論預(yù)期的最高能量相當(dāng)。

我國四川稻城縣高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）的主要科學(xué)目標(biāo)，就是通過探測能量在1014電子伏特以上的伽馬射線，尋找能夠加速1015電子伏特粒子的宇宙線加速器。超新星爆發(fā)及其遺跡星云能否加速宇宙線至1015電子伏特？這將需要LHAASO來探索和回答。

2021年，根據(jù)LHAASO的首批探測數(shù)據(jù)，科學(xué)家取得了重要的研究進(jìn)展——發(fā)現(xiàn)了首批1015電子伏特宇宙粒子加速器，并觀測到1400萬億電子伏特的迄今最高能量光子。

“長久以來，超新星爆發(fā)及其遺跡被認(rèn)為是銀河系內(nèi)宇宙線的主要加速源，根據(jù)觀測驗(yàn)證，只有大質(zhì)量星產(chǎn)生的超新星爆發(fā)才可能加速粒子至1015電子伏特能量。”陳松戰(zhàn)說。