近日(ri)，科學(xue)家利用位于(yu)非(fei)洲納米比亞的(de)伽(jia)馬射(she)(she)線天文臺，首(shou)次(ci)觀測到(dao)新(xin)星產(chan)生的(de)沖(chong)擊波撕裂了其(qi)周(zhou)圍的(de)介質，將粒子(zi)拉扯在一起并加速到(dao)極高能量(liang)，此次(ci)觀測到(dao)的(de)伽(jia)馬射(she)(she)線，能量(liang)高達1012電子(zi)伏(fu)特，新(xin)星“蛇夫座(zuo)RS”甚至(zhi)可使粒子(zi)加速至(zhi)理(li)論極限速度。相關(guan)研究成果(guo)發表在國際學(xue)術期刊《科學(xue)》上。
“這項研究(jiu)揭示了新(xin)星(xing)是甚高(gao)能（能量大(da)于1011電子伏特）宇(yu)宙線(xian)加速器。”中國科(ke)學院高(gao)能物(wu)(wu)理研究(jiu)所(suo)研究(jiu)員陳松(song)戰在(zai)接受科(ke)技日報(bao)記者采訪時表示，未(wei)來，可產生1012電子伏特伽馬射線(xian)的(de)新(xin)星(xing)將會成為(wei)(wei)地(di)面探測裝(zhuang)置的(de)重要研究(jiu)目標。作為(wei)(wei)宇(yu)宙線(xian)加速器，新(xin)星(xing)還是一種理想的(de)天體物(wu)(wu)理實驗(yan)室，可以用于檢驗(yan)激波加速粒子的(de)現有理論。
加速能力弱而激波演(yan)變快
宇宙(zhou)(zhou)線(xian)是來自宇宙(zhou)(zhou)空間的高能粒子(zi)流，廣義(yi)(yi)的宇宙(zhou)(zhou)線(xian)由各(ge)種(zhong)原子(zi)核(he)以(yi)及(ji)非常少量的電子(zi)、光子(zi)和中微(wei)子(zi)等組成，狹(xia)義(yi)(yi)的宇宙(zhou)(zhou)線(xian)主(zhu)要是指強子(zi)。
宇宙(zhou)線也被稱(cheng)作“銀河(he)隕石”、傳遞宇宙(zhou)大事(shi)件(jian)的“信使(shi)”。這是(shi)因為(wei)宇宙(zhou)線本身(shen)就(jiu)是(shi)組成宇宙(zhou)天體的物質成分，攜帶著(zhu)宇宙(zhou)起(qi)源、天體演化的寶(bao)貴信息來到地球。
“能夠產(chan)(chan)生高能宇宙粒(li)子(zi)（包(bao)括(kuo)強(qiang)子(zi)和(he)電子(zi)）的(de)天(tian)體，被統稱(cheng)為(wei)宇宙粒(li)子(zi)加(jia)速器(qi)(qi)。其(qi)中，能夠產(chan)(chan)生強(qiang)子(zi)的(de)天(tian)體被稱(cheng)為(wei)宇宙線加(jia)速器(qi)(qi)。”陳松戰表示，迄今為(wei)止(zhi)，人們觀測到(dao)的(de)宇宙線的(de)最高能量(liang)已(yi)達到(dao)1020電子(zi)伏特，是目前(qian)人類最大的(de)粒(li)子(zi)加(jia)速器(qi)(qi)——歐洲(zhou)核(he)子(zi)中心大型強(qiang)子(zi)對撞機（LHC）所能加(jia)速粒(li)子(zi)能量(liang)的(de)1000萬倍(bei)。
1912年，奧(ao)地利科學家(jia)(jia)赫斯發(fa)現宇(yu)宙線(xian)，開辟了基本粒(li)子研究的(de)新(xin)領域，赫斯也因(yin)此獲得(de)了諾貝爾物理學獎。2004年，宇(yu)宙線(xian)起(qi)源及(ji)其加(jia)速(su)機制(zhi)，被(bei)確(que)定為(wei)(wei)新(xin)世(shi)(shi)紀(ji)11個“世(shi)(shi)紀(ji)謎題”之一，科學家(jia)(jia)為(wei)(wei)此展(zhan)開深(shen)入研究，希望能夠揭開宇(yu)宙線(xian)的(de)身世(shi)(shi)之謎。
百(bai)年后的今天，人類對于宇宙線又有哪些新的認知？
宇(yu)宙(zhou)線很(hen)(hen)難被追根溯(su)源(yuan)。陳松(song)戰表示，宇(yu)宙(zhou)線主要是帶電粒子，在宇(yu)宙(zhou)空間飛行時會受星際磁場(chang)影響發(fa)生(sheng)偏(pian)轉，逐漸偏(pian)離最初(chu)的(de)方向。因此，根據(ju)地球上觀測到的(de)宇(yu)宙(zhou)線到達地球的(de)方向，很(hen)(hen)難反(fan)推出宇(yu)宙(zhou)線發(fa)射源(yuan)的(de)方向。
好在(zai)宇宙線(xian)中(zhong)的(de)(de)(de)伽(jia)馬(ma)(ma)射(she)線(xian)給科(ke)學家留了“一扇窗”。宇宙線(xian)會(hui)與(yu)其誕生處附近的(de)(de)(de)星際氣(qi)體(ti)碰撞產生中(zhong)性的(de)(de)(de)高能伽(jia)馬(ma)(ma)射(she)線(xian)，伽(jia)馬(ma)(ma)射(she)線(xian)是(shi)由高能光(guang)子(zi)(zi)組成的(de)(de)(de)粒子(zi)(zi)流，與(yu)帶電粒子(zi)(zi)不(bu)同，光(guang)子(zi)(zi)的(de)(de)(de)傳播不(bu)受(shou)磁場影響，因此伽(jia)馬(ma)(ma)射(she)線(xian)在(zai)宇宙空(kong)間沿直線(xian)傳播。“通過探測伽(jia)馬(ma)(ma)射(she)線(xian)，就(jiu)可(ke)以直接找到其父輩帶電粒子(zi)(zi)的(de)(de)(de)加速源(yuan)頭。”他說。
據了(le)解，科學家已經發現了(le)200個(ge)甚高(gao)能伽馬(ma)射線源，但它們只能被稱為宇宙線源候選(xuan)體，因(yin)為除(chu)宇宙線外，電子也會產生(sheng)伽馬(ma)射線。
加(jia)速機制(zhi)符合主流理論模(mo)型
陳(chen)松戰指出(chu)，目前(qian)粒子(zi)天體物理學最核心的問題，是(shi)尋找(zhao)能夠加速強子(zi)到(dao)1015電子(zi)伏特及以(yi)上的宇宙(zhou)線加速器。
在(zai)加速(su)(su)機(ji)制(zhi)(zhi)方面，陳松(song)戰表示，宇宙粒子加速(su)(su)器是(shi)如何加速(su)(su)粒子的(de)(de)，仍然是(shi)目前科學(xue)研究中的(de)(de)前沿問(wen)題，已經知道的(de)(de)是(shi)，不同(tong)種類天(tian)(tian)體的(de)(de)加速(su)(su)機(ji)制(zhi)(zhi)可能不同(tong)，但是(shi)新(xin)星(xing)(xing)、超新(xin)星(xing)(xing)及其(qi)遺跡為同(tong)類天(tian)(tian)體，其(qi)加速(su)(su)機(ji)制(zhi)(zhi)是(shi)一樣的(de)(de)。
普遍認(ren)為(wei)，粒子是(shi)(shi)由新(xin)星、超新(xin)星及其遺跡拋出的(de)(de)(de)高(gao)速物質(zhi)與周(zhou)圍介質(zhi)碰撞產生(sheng)的(de)(de)(de)激(ji)波(bo)(bo)加(jia)速的(de)(de)(de)，粒子反復穿越激(ji)波(bo)(bo)面逐步獲得(de)能(neng)量(liang)，這就是(shi)(shi)耗散(san)激(ji)波(bo)(bo)加(jia)速理論。陳松戰說，這是(shi)(shi)目前已知的(de)(de)(de)非常有效的(de)(de)(de)粒子加(jia)速機(ji)制(zhi)，它可以將激(ji)波(bo)(bo)約10%的(de)(de)(de)機(ji)械能(neng)轉(zhuan)化為(wei)被加(jia)速粒子的(de)(de)(de)能(neng)量(liang)。
宇(yu)宙(zhou)粒子(zi)(zi)加速器主要有超新星(xing)(xing)爆發及其(qi)遺跡星(xing)(xing)云(yun)、脈沖星(xing)(xing)、伽馬(ma)射線(xian)暴(bao)、年輕大(da)質量(liang)星(xing)(xing)團、活動星(xing)(xing)系核等。一般認(ren)為能量(liang)在1015電子(zi)(zi)伏特及以下的宇(yu)宙(zhou)線(xian)，來(lai)源(yuan)于銀河系內天體(ti)，而更(geng)高(gao)能量(liang)的宇(yu)宙(zhou)線(xian)來(lai)源(yuan)于銀河系外天體(ti)。
此(ci)前觀測研究已表明，新星為GeV（10億電子伏特(te)）宇(yu)宙粒(li)子加速(su)器(qi)，其加速(su)粒(li)子能力(li)比上(shang)文提(ti)到的幾種天(tian)體(ti)弱很多。所以，在地面伽(jia)馬探(tan)(tan)測器(qi)觀測中很難被探(tan)(tan)測到。
陳松戰表示，此(ci)次最新(xin)(xin)研(yan)究(jiu)是地(di)面探測器首次觀測到(dao)來源于新(xin)(xin)星(xing)的(de)(de)(de)(de)、能量(liang)大于1011電子伏(fu)(fu)特(te)的(de)(de)(de)(de)伽(jia)馬輻射，而(er)宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)(xian)能量(liang)一般是其次級(ji)伽(jia)馬光子能量(liang)的(de)(de)(de)(de)10倍，所以通過探測到(dao)1012電子伏(fu)(fu)特(te)的(de)(de)(de)(de)伽(jia)馬射線(xian)(xian)(xian)，證明了新(xin)(xin)星(xing)能夠(gou)加速宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)(xian)粒子到(dao)1013電子伏(fu)(fu)特(te)，也就是說，新(xin)(xin)星(xing)成為(wei)了TeV（萬億(yi)電子伏(fu)(fu)特(te)）宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)(xian)加速器。“盡(jin)管如(ru)此(ci)，新(xin)(xin)星(xing)其實還是相對比(bi)較弱(ruo)的(de)(de)(de)(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)(xian)加速器。”他(ta)解(jie)釋說，從能量(liang)上(shang)看，TeV與PeV（千萬億(yi)電子伏(fu)(fu)特(te)）相比(bi)能量(liang)有些(xie)低；從宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)流強（每(mei)秒每(mei)平方米到(dao)達(da)地(di)球上(shang)的(de)(de)(de)(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)(xian)數(shu)目）上(shang)看，新(xin)(xin)星(xing)產生的(de)(de)(de)(de)宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)(xian)遠少于地(di)球觀測到(dao)宇(yu)(yu)宙(zhou)線(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)(de)總(zong)量(liang)。
那么，新星(xing)(xing)作為(wei)宇宙線(xian)加(jia)速器，其加(jia)速機(ji)制是怎樣(yang)的(de)？陳(chen)松戰(zhan)表示，新星(xing)(xing)一般產(chan)生于由白矮(ai)星(xing)(xing)和(he)普(pu)通(tong)恒星(xing)(xing)組成(cheng)(cheng)的(de)雙(shuang)星(xing)(xing)系統中，是由吸積在白矮(ai)星(xing)(xing)表面的(de)氫被白矮(ai)星(xing)(xing)高溫(wen)加(jia)熱造(zao)成(cheng)(cheng)劇烈的(de)核子爆炸(zha)現象，爆炸(zha)時拋出的(de)高速物質與伴星(xing)(xing)星(xing)(xing)風(feng)碰(peng)撞產(chan)生強激波，激波可以加(jia)速粒子。
“新星(xing)最(zui)大的特(te)點是輻射存(cun)在(zai)快(kuai)速演化現(xian)象，在(zai)‘天’的時(shi)間尺度上存(cun)在(zai)顯著變化，而超新星(xing)爆炸形成的激(ji)波(bo)會(hui)持(chi)續萬年。所以(yi)說(shuo)，新星(xing)可(ke)以(yi)作(zuo)為(wei)理想的天體物理實驗(yan)室(shi)，來檢(jian)驗(yan)現(xian)有的激(ji)波(bo)加(jia)速粒子(zi)理論。”陳松戰(zhan)說(shuo)。
觀測結果符合理論最(zui)高(gao)加速能量
是什么樣的(de)天(tian)體(ti)在加速(su)宇(yu)宙(zhou)線？粒子是如何被加速(su)到極端(duan)高能的(de)？這是新(xin)世紀(ji)科學(xue)家需(xu)要解(jie)答的(de)宇(yu)宙(zhou)難題之一。
此次最新研究中，科學(xue)家給(gei)出(chu)的(de)理論(lun)預期最高能(neng)量為(wei)1013電子(zi)伏(fu)特。陳松戰表示，這(zhe)項(xiang)研究中的(de)宇宙粒子(zi)加速(su)器(qi)的(de)理論(lun)極限，其實(shi)是根(gen)據耗散(san)激波加速(su)理論(lun)估(gu)計(ji)的(de)粒子(zi)最高加速(su)能(neng)量得出(chu)的(de)。
粒子(zi)能獲得(de)的(de)最高能量(liang)受激(ji)波(bo)的(de)速(su)(su)度、存在時間及對粒子(zi)的(de)束(shu)縛能力等(deng)(deng)條件(jian)限制。耗散激(ji)波(bo)加速(su)(su)理論根據拋出(chu)物的(de)速(su)(su)度、質量(liang)及其周圍介(jie)質的(de)密度等(deng)(deng)條件(jian)，對加速(su)(su)粒子(zi)的(de)最高能量(liang)進行(xing)估計。
科學家(jia)根據(ju)觀測到伽馬(ma)射線的(de)最高能(neng)(neng)量來反推出其父輩粒子的(de)能(neng)(neng)量，也就(jiu)是在(zai)新星激波(bo)中加速粒子的(de)能(neng)(neng)量，這個能(neng)(neng)量與耗散激波(bo)加速理論預期的(de)最高能(neng)(neng)量相當。
我國四川稻城(cheng)縣高海拔宇宙(zhou)線觀測(ce)站(zhan)（LHAASO）的(de)主要(yao)科學目(mu)標，就是通過(guo)探測(ce)能量在1014電子伏(fu)特以上的(de)伽馬射線，尋找能夠加(jia)速(su)1015電子伏(fu)特粒子的(de)宇宙(zhou)線加(jia)速(su)器。超(chao)新(xin)星(xing)爆發及其遺跡星(xing)云能否加(jia)速(su)宇宙(zhou)線至1015電子伏(fu)特？這將需要(yao)LHAASO來(lai)探索(suo)和回(hui)答。
2021年(nian)，根據(ju)LHAASO的首批探測(ce)數據(ju)，科學(xue)家取得了重(zhong)要的研究進展——發現了首批1015電(dian)(dian)子(zi)伏特宇宙粒子(zi)加(jia)速器，并觀測(ce)到1400萬(wan)億電(dian)(dian)子(zi)伏特的迄今(jin)最(zui)高能量光子(zi)。
“長久(jiu)以來，超新星(xing)(xing)爆發及其遺跡被認為是銀河(he)系(xi)內宇宙線的(de)主要(yao)加速源，根據觀測(ce)驗(yan)證(zheng)，只有大質量星(xing)(xing)產生的(de)超新星(xing)(xing)爆發才可(ke)能(neng)(neng)加速粒(li)子至1015電子伏特能(neng)(neng)量。”陳松戰說。
(責編：申(shen)佳平、陳鍵)