近日，科學(xue)家利用位于非洲(zhou)納米比(bi)亞的(de)(de)(de)(de)伽(jia)馬射線天文臺(tai)，首次觀測到新星產(chan)生的(de)(de)(de)(de)沖擊(ji)波撕(si)裂了其周圍(wei)的(de)(de)(de)(de)介質，將粒(li)(li)子拉扯(che)在一(yi)起并加速到極高能量(liang)，此次觀測到的(de)(de)(de)(de)伽(jia)馬射線，能量(liang)高達1012電子伏(fu)特，新星“蛇夫(fu)座(zuo)RS”甚至可(ke)使(shi)粒(li)(li)子加速至理論極限速度。相關研究成果(guo)發表在國際學(xue)術期刊《科學(xue)》上。

  “這項研究(jiu)揭示(shi)了新星(xing)(xing)是(shi)甚高(gao)能（能量大于1011電子伏特）宇宙線(xian)加速(su)器(qi)。”中國科學院高(gao)能物理(li)研究(jiu)所研究(jiu)員陳松戰在(zai)接受科技日(ri)報記(ji)者(zhe)采訪時(shi)表示(shi)，未來，可產生(sheng)1012電子伏特伽馬(ma)射線(xian)的(de)(de)新星(xing)(xing)將會成為(wei)地面(mian)探測裝置的(de)(de)重要(yao)研究(jiu)目標。作為(wei)宇宙線(xian)加速(su)器(qi)，新星(xing)(xing)還是(shi)一種理(li)想的(de)(de)天體物理(li)實驗(yan)室，可以用于檢驗(yan)激(ji)波加速(su)粒子的(de)(de)現有(you)理(li)論。

   加速能力弱而激波演變快

   宇(yu)宙(zhou)線(xian)是(shi)來(lai)自(zi)宇(yu)宙(zhou)空間的(de)高能粒子(zi)(zi)流，廣(guang)義的(de)宇(yu)宙(zhou)線(xian)由各種原子(zi)(zi)核以及非常(chang)少量的(de)電子(zi)(zi)、光子(zi)(zi)和(he)中微子(zi)(zi)等組(zu)成，狹義的(de)宇(yu)宙(zhou)線(xian)主要(yao)是(shi)指強子(zi)(zi)。

   宇(yu)宙線也被稱作“銀河隕石”、傳遞宇(yu)宙大事(shi)件(jian)的“信使”。這是(shi)因為(wei)宇(yu)宙線本(ben)身就(jiu)是(shi)組成(cheng)宇(yu)宙天(tian)體的物質成(cheng)分，攜帶著(zhu)宇(yu)宙起源、天(tian)體演化的寶貴信息來到地球。

   “能夠產生高能宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)粒子(zi)(zi)(zi)（包括強(qiang)子(zi)(zi)(zi)和電子(zi)(zi)(zi)）的(de)(de)天(tian)體(ti)，被(bei)統稱為宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)粒子(zi)(zi)(zi)加(jia)(jia)(jia)(jia)速器。其(qi)中(zhong)，能夠產生強(qiang)子(zi)(zi)(zi)的(de)(de)天(tian)體(ti)被(bei)稱為宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)加(jia)(jia)(jia)(jia)速器。”陳松戰表示，迄今(jin)為止，人們(men)觀(guan)測(ce)到的(de)(de)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)的(de)(de)最高能量已達(da)到1020電子(zi)(zi)(zi)伏特，是目前人類最大的(de)(de)粒子(zi)(zi)(zi)加(jia)(jia)(jia)(jia)速器——歐洲核子(zi)(zi)(zi)中(zhong)心大型強(qiang)子(zi)(zi)(zi)對撞機（LHC）所能加(jia)(jia)(jia)(jia)速粒子(zi)(zi)(zi)能量的(de)(de)1000萬倍。

   1912年，奧地利(li)科學家赫斯發現宇(yu)宙線(xian)，開(kai)(kai)辟(pi)了基本(ben)粒子研究的(de)(de)新領域，赫斯也(ye)因此獲得了諾貝爾物(wu)理學獎。2004年，宇(yu)宙線(xian)起源及其加速(su)機(ji)制，被確定為新世(shi)紀11個(ge)“世(shi)紀謎題”之一，科學家為此展開(kai)(kai)深入研究，希望(wang)能夠(gou)揭開(kai)(kai)宇(yu)宙線(xian)的(de)(de)身世(shi)之謎。

   百年后的今天(tian)，人類對(dui)于宇宙線又(you)有(you)哪(na)些新的認知？

   宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線很難被(bei)追根(gen)溯源(yuan)。陳松戰表示，宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線主(zhu)要(yao)是帶電粒子，在宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)空間飛行時會受星(xing)際磁場影(ying)響發生(sheng)偏轉，逐漸偏離(li)最(zui)初(chu)的方向。因(yin)此(ci)，根(gen)據(ju)地球(qiu)上觀測到的宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線到達(da)地球(qiu)的方向，很難反推出宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)線發射源(yuan)的方向。

   好在宇宙線(xian)(xian)(xian)中(zhong)的伽(jia)馬射(she)(she)線(xian)(xian)(xian)給(gei)科學家(jia)留了“一扇窗”。宇宙線(xian)(xian)(xian)會與其(qi)誕生(sheng)處附近的星際氣體(ti)碰撞產生(sheng)中(zhong)性的高能伽(jia)馬射(she)(she)線(xian)(xian)(xian)，伽(jia)馬射(she)(she)線(xian)(xian)(xian)是由高能光子組成的粒(li)(li)子流，與帶電(dian)粒(li)(li)子不同，光子的傳播不受磁場影響(xiang)，因(yin)此(ci)伽(jia)馬射(she)(she)線(xian)(xian)(xian)在宇宙空(kong)間沿直(zhi)線(xian)(xian)(xian)傳播。“通過探(tan)測伽(jia)馬射(she)(she)線(xian)(xian)(xian)，就可以直(zhi)接找到其(qi)父輩(bei)帶電(dian)粒(li)(li)子的加速源(yuan)頭。”他說。

   據了解，科學家已(yi)經發現了200個甚(shen)高能伽(jia)馬(ma)射(she)(she)線源(yuan)，但它們只(zhi)能被稱(cheng)為宇宙(zhou)(zhou)線源(yuan)候(hou)選體，因為除宇宙(zhou)(zhou)線外，電子也會產生伽(jia)馬(ma)射(she)(she)線。

   加速機制符合主流理論模型

   陳松戰指出，目前(qian)粒子(zi)天(tian)體(ti)物理學最(zui)核心的問(wen)題(ti)，是(shi)尋(xun)找能夠加速強(qiang)子(zi)到(dao)1015電(dian)子(zi)伏(fu)特及(ji)以(yi)上的宇(yu)宙線加速器(qi)。

   在加速(su)機(ji)制方面，陳(chen)松戰(zhan)表(biao)示，宇宙粒(li)(li)子(zi)(zi)加速(su)器是(shi)如何(he)加速(su)粒(li)(li)子(zi)(zi)的，仍(reng)然是(shi)目前(qian)科(ke)學研究中的前(qian)沿問題，已(yi)經知(zhi)道(dao)的是(shi)，不同種類天體的加速(su)機(ji)制可能不同，但(dan)是(shi)新(xin)(xin)星(xing)、超新(xin)(xin)星(xing)及(ji)其(qi)(qi)遺(yi)跡為同類天體，其(qi)(qi)加速(su)機(ji)制是(shi)一樣(yang)的。

   普遍認為(wei)，粒(li)(li)(li)子是(shi)由(you)新星、超新星及其(qi)遺跡拋出的(de)高(gao)速(su)(su)物質與周圍介質碰撞產生的(de)激(ji)波(bo)(bo)加(jia)速(su)(su)的(de)，粒(li)(li)(li)子反復穿越激(ji)波(bo)(bo)面逐(zhu)步獲得能量(liang)，這就是(shi)耗散激(ji)波(bo)(bo)加(jia)速(su)(su)理論。陳松戰說，這是(shi)目前已(yi)知的(de)非常有(you)效的(de)粒(li)(li)(li)子加(jia)速(su)(su)機(ji)制，它可以將(jiang)激(ji)波(bo)(bo)約10%的(de)機(ji)械能轉(zhuan)化為(wei)被加(jia)速(su)(su)粒(li)(li)(li)子的(de)能量(liang)。

   宇(yu)(yu)宙粒子(zi)加速器主要有超新星(xing)爆(bao)發及(ji)其遺跡星(xing)云、脈沖星(xing)、伽馬射線暴、年輕(qing)大質量星(xing)團、活動星(xing)系核等(deng)。一般認為能量在1015電子(zi)伏(fu)特及(ji)以下的宇(yu)(yu)宙線，來(lai)源(yuan)于(yu)銀(yin)河(he)(he)系內天體，而(er)更高能量的宇(yu)(yu)宙線來(lai)源(yuan)于(yu)銀(yin)河(he)(he)系外天體。

   此前觀測研究已(yi)表(biao)明，新星為GeV（10億電子伏特）宇宙(zhou)粒(li)子加速(su)器(qi)，其(qi)加速(su)粒(li)子能力比上文提(ti)到(dao)的(de)幾種天體弱很(hen)(hen)多。所以(yi)，在地面伽馬探(tan)測器(qi)觀測中很(hen)(hen)難被探(tan)測到(dao)。

   陳松戰表示，此(ci)次最新研究是(shi)地面探測(ce)器首次觀測(ce)到(dao)來(lai)源于(yu)(yu)(yu)新星的(de)(de)、能量(liang)(liang)大于(yu)(yu)(yu)1011電子(zi)伏(fu)(fu)特的(de)(de)伽馬輻射，而(er)宇(yu)宙(zhou)(zhou)線(xian)能量(liang)(liang)一般是(shi)其(qi)次級伽馬光(guang)子(zi)能量(liang)(liang)的(de)(de)10倍，所以通(tong)過探測(ce)到(dao)1012電子(zi)伏(fu)(fu)特的(de)(de)伽馬射線(xian)，證明了(le)新星能夠加速(su)宇(yu)宙(zhou)(zhou)線(xian)粒子(zi)到(dao)1013電子(zi)伏(fu)(fu)特，也就是(shi)說，新星成為了(le)TeV（萬(wan)億電子(zi)伏(fu)(fu)特）宇(yu)宙(zhou)(zhou)線(xian)加速(su)器。“盡(jin)管如此(ci)，新星其(qi)實(shi)還是(shi)相(xiang)對比較弱的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)(zhou)線(xian)加速(su)器。”他解釋說，從(cong)能量(liang)(liang)上(shang)看，TeV與PeV（千萬(wan)億電子(zi)伏(fu)(fu)特）相(xiang)比能量(liang)(liang)有(you)些低；從(cong)宇(yu)宙(zhou)(zhou)線(xian)的(de)(de)流強（每秒每平方米(mi)到(dao)達地球上(shang)的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)(zhou)線(xian)數(shu)目）上(shang)看，新星產生的(de)(de)宇(yu)宙(zhou)(zhou)線(xian)遠少于(yu)(yu)(yu)地球觀測(ce)到(dao)宇(yu)宙(zhou)(zhou)線(xian)的(de)(de)總量(liang)(liang)。

   那么，新星(xing)作為宇宙線(xian)加速(su)(su)器，其加速(su)(su)機(ji)制是(shi)(shi)怎樣的？陳松戰表(biao)示，新星(xing)一般產生于由白(bai)矮星(xing)和普通恒星(xing)組成(cheng)的雙星(xing)系統中，是(shi)(shi)由吸積在白(bai)矮星(xing)表(biao)面的氫被白(bai)矮星(xing)高(gao)(gao)溫加熱造(zao)成(cheng)劇烈的核子(zi)爆(bao)炸現(xian)象(xiang)，爆(bao)炸時拋出的高(gao)(gao)速(su)(su)物(wu)質(zhi)與伴星(xing)星(xing)風(feng)碰撞產生強激波，激波可以加速(su)(su)粒子(zi)。

   “新(xin)星最大的特點是輻射存在快速(su)(su)演(yan)化(hua)現(xian)(xian)象，在‘天’的時間尺度上存在顯著(zhu)變化(hua)，而超新(xin)星爆炸形成的激波(bo)會持續萬年。所以說，新(xin)星可(ke)以作為理(li)想的天體物理(li)實驗(yan)室(shi)，來檢驗(yan)現(xian)(xian)有的激波(bo)加速(su)(su)粒子理(li)論。”陳松(song)戰說。

   觀測(ce)結果(guo)符合理(li)論最(zui)高加速能量(liang)

   是什么樣(yang)的天(tian)體在加(jia)(jia)速宇宙線？粒(li)子是如(ru)何(he)被(bei)加(jia)(jia)速到極端高能的？這是新世紀(ji)科(ke)學家需(xu)要解答(da)的宇宙難題之一。

   此次最新(xin)研究中，科學家(jia)給出的理(li)論預期最高(gao)能(neng)量為(wei)1013電子伏特。陳松戰表(biao)示，這項(xiang)研究中的宇宙粒(li)子加速(su)器的理(li)論極限，其實是根(gen)據耗散激波加速(su)理(li)論估(gu)計的粒(li)子最高(gao)加速(su)能(neng)量得出的。

   粒子能(neng)獲得的最高能(neng)量(liang)受激波的速(su)度(du)、存在(zai)時間及對粒子的束縛能(neng)力等條件限制(zhi)。耗(hao)散(san)激波加速(su)理論(lun)根據拋出(chu)物的速(su)度(du)、質量(liang)及其周圍介質的密度(du)等條件，對加速(su)粒子的最高能(neng)量(liang)進行估計。

   科學家根據觀(guan)測(ce)到(dao)伽馬射線的最(zui)高能量(liang)來(lai)反推出其父(fu)輩(bei)粒子(zi)的能量(liang)，也(ye)就是在新(xin)星(xing)激波中加(jia)速粒子(zi)的能量(liang)，這個能量(liang)與耗散激波加(jia)速理論預期的最(zui)高能量(liang)相當。

   我國四川稻城縣(xian)高(gao)海拔(ba)宇(yu)宙線(xian)(xian)觀測站(zhan)（LHAASO）的主(zhu)要(yao)科學目標(biao)，就是通過(guo)探測能量(liang)在1014電(dian)子伏特(te)以上的伽馬射線(xian)(xian)，尋找能夠加速(su)1015電(dian)子伏特(te)粒子的宇(yu)宙線(xian)(xian)加速(su)器。超新星(xing)(xing)爆(bao)發及其遺(yi)跡星(xing)(xing)云(yun)能否加速(su)宇(yu)宙線(xian)(xian)至(zhi)1015電(dian)子伏特(te)？這(zhe)將需要(yao)LHAASO來探索和回(hui)答。

   2021年，根據(ju)LHAASO的(de)首批探測(ce)數據(ju)，科(ke)學家取(qu)得了(le)重(zhong)要的(de)研(yan)究進(jin)展——發現了(le)首批1015電子(zi)伏特宇(yu)宙(zhou)粒子(zi)加(jia)速器，并(bing)觀測(ce)到1400萬(wan)億電子(zi)伏特的(de)迄今最高能量(liang)光子(zi)。

   “長久以來，超(chao)新星(xing)爆發及其遺跡被認為是銀(yin)河系內宇(yu)宙線的(de)主要加速源，根據(ju)觀測驗證，只有大質量星(xing)產(chan)生的(de)超(chao)新星(xing)爆發才可能(neng)加速粒子(zi)至1015電子(zi)伏特能(neng)量。”陳松(song)戰(zhan)說(shuo)。

                                                                                                                                                                        (責(ze)編：申佳(jia)平、陳(chen)鍵(jian))