超高能光子的“加速度”究竟是谁给的? 突破传统的认知

超高能光子的“加速度”究竟是谁给的?

5月17日，记者从中国科学院高能物理研究所新闻发布会获悉，国家重大科技基础设施高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)在银河系内发现2个能量超过1拍电子伏特(PeV，1000万亿电子伏特)的光子，这2个超高能光子分别来自天鹅座和蟹状星云，其中1个光子能量高达1.4 PeV。这是人类迄今观测到的最高能量光子，突破了人类对银河系粒子加速的传统认知，开启了超高能伽马天文学的新时代。相关研究成果在线发表于《自然》杂志。

对此，《自然》物理科学总编辑卡尔·泽梅里斯评论道，这些激动人心的发现尽管还很初步，但却因为部分建成的“拉索”的观测工作才成为可能。未来待“拉索”全部完工后，相信还会发现更多这样的伽马源。这些发现让我们离了解高能宇宙线起源又近了一步。

过去预言的宇宙线加速源能量极限并不存在

“拉索”位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，是世界上最大的高海拔宇宙线观测装置，目前尚在建设中。宇宙线是一种带电粒子，在宇宙中以接近光速的速度飞行。

利用“拉索”已经建成的1/2规模探测装置11个月的观测数据，科学家发现了12个稳定伽马射线源，它们都具有超高能光子辐射，并且都稳定地延伸到PeV附近，甚至“拉索”还探测到迄今人类从未见过的1.4 PeV的最高能量伽马光子。

“这些发现表明银河系内普遍存在能够将粒子加速至能量超过1 PeV的加速器，并不存在一个过去预言的银河系宇宙线加速源能量极限，打开了‘超高能伽马’这一高能天文窗口。”中科院高能所研究员、“拉索”首席科学家曹臻说。

此前，银河系内的宇宙线加速源存在能量极限是个“常识”，过去预言的极限就在1PeV附近，导致伽马射线能谱在0.1 PeV以上有“截断”现象。“拉索”的发现完全突破了这个“极限”，观测到的伽马射线能谱在0.1 PeV以上并有没有“截断”现象，确定了银河系宇宙线加速源不存在PeV以下的加速极限。

“‘拉索’的新发现表明，以天鹅座恒星形成区的天体群、蟹状星云等为代表的年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体，这就向着解决宇宙线起源这一科学难题迈出了至关重要的一步。”曹臻说。

PeV伽马光子首现天鹅座区域和蟹状星云

PeV光子的探测是伽马天文学的一座里程碑，承载着伽马天文界的梦想，长期以来一直是伽马天文发展的强大驱动力。

事实上，上世纪80年代伽马天文学爆发式发展一个重要的诱因就是挑战PeV光子极限。天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮区域之一，拥有多个具有大量大质量恒星的星团，大质量恒星的寿命只有百万年的量级，因此星团内部充满大量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，被称为“粒子天体物理实验室”。

“拉索”在天鹅座恒星形成区首次发现PeV伽马光子，使得这个本来就备受关注的区域成为超高能宇宙线源的最佳候选者。该区域以后自然是“拉索”以及相关的多波段观测乃至于多信使天文学的巨大热门，有望成为解开“世纪之谜”的突破口。

同时，历史上对蟹状星云大量的观测研究，使之成为几乎唯一具有清晰辐射机制的标准伽马射线源，跨越22个量级的光谱精确测量清楚地表明其电子加速器的标志性特征，然而，“拉索”测到的超高能光谱，特别是PeV能量的光子，严重挑战了这个高能天体物理的“标准模型”，甚至于对更加基本的电子加速理论提出了挑战。

国家高能物理科学数据中心是幕后支撑者

这一发现离不开海量数据的支撑以及高效的数据处理平台。

“拉索”实验的数据产生率达到每秒10000兆比特以上，每年365天不间断运行。为了高效管理和分析这些海量的科学数据，国家高能物理科学数据中心为“拉索”建立了完整的数据服务平台，实现数据的采集、汇交、存储、共享及处理。“拉索”数据服务平台由稻城海子山、北京高能所双数据中心以及合作单位的分布式计算站点组成。

“到目前为止，“拉索”积累的数据总量达到10PB，文件数达到2亿个。”国家高能物理科学数据中心主任陈刚介绍。

建立在“拉索”观测基地的稻城海子山数据中心海拔4410米，是全球最高的数据中心之一。虽然全年平均气温只有1度，但是空气稀薄，传统的风冷制冷技术存在CPU局部过热问题，会导致CPU降频或者死机。浸泡式液冷技术需要采用特定的硬件及泵站，维护复杂，不能满足无人值守的需要。

“为此，我们采用中科院电工所先进的表贴式无泵自循环蒸发冷却系统，并将热量排放到装配大厅，实现余热利用，绿色节能，无人值守，维护方便，高海拔数据中心的创新运行模式有力保障了‘拉索’数据采集系统以及在站数据处理系统的稳定运行。”陈刚说道。(科技日报记者 陆成宽)