近日，我國重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測站（拉索，LHAASO）發(fā)布"銀河系迷你巡天"專題研究成果，以迄今最靈敏的觀測能力揭示了銀河系內(nèi)超高能伽馬射線的壯麗圖景。這一系列發(fā)現(xiàn)為探索宇宙線起源、傳播及極端天體物理過程提供了全新視角，標(biāo)志著人類進(jìn)入超高能伽馬天文學(xué)研究的新紀(jì)元[1-6]。

圖1 銀河系聚集著豐富的靶物質(zhì)與宇宙線加速器，LHAASO正在揭開銀河系宇宙線的藏寶圖。

宇宙線：百年未解之謎

宇宙線是來自宇宙空間的相對(duì)論性帶電粒子，作為除隕石外少數(shù)能抵達(dá)地球的系外物質(zhì)樣本，承載著超新星遺跡、脈沖星風(fēng)云、年輕大質(zhì)量星團(tuán)等極端天體的物理信息。其最高能量達(dá)人造加速器極限的十億倍，暗示宇宙中存在天然"超級(jí)加速器"。這些加速器在哪里？是什么？通過什么手段加速粒子？被加速的粒子如何到達(dá)地球？這些問題從宇宙線發(fā)現(xiàn)以來的一百年間， 一直是難解的謎題。而宇宙線起源問題被美國國家科學(xué)技術(shù)委員列為21世紀(jì)11個(gè)最前沿的科學(xué)問題。

要了解宇宙線從哪里來并不容易，因?yàn)橛钪婢€作為帶電粒子，在到達(dá)地球時(shí)早已被星際空間中混亂的磁場打亂了方向。破解之道在于捕獲宇宙線與星際物質(zhì)碰撞產(chǎn)生的中性伽馬光子——它們?nèi)缤钪婢€方位的"指針"，不受磁場偏轉(zhuǎn)影響。

LHAASO：宇宙線尋蹤利器又有新發(fā)現(xiàn)

中國自主設(shè)計(jì)建造的全球靈敏度最高的超高能伽馬射線探測器LHAASO，由5216個(gè)電磁粒子探測器與1188個(gè)繆子探測器組成平方公里陣列（KM2A），輔以水切倫科夫探測器（WCDA）和廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（WFCTA），能全時(shí)段捕捉從萬億電子伏特到千萬億電子伏特能段的伽馬射線輻射。

銀河系平面是伽馬射線的集中區(qū)域，蘊(yùn)藏著大量宇宙線加速器與靶物質(zhì)，是研究高能天體物理過程的天然實(shí)驗(yàn)室。LHAASO憑借前所未有的靈敏度和寬能域覆蓋，首次對(duì)四個(gè)銀盤上的河內(nèi)伽馬射線源的超高能伽馬射線進(jìn)行觀測，為破解"宇宙線起源世紀(jì)之謎"走出了重要一步。

圖2 年輕大質(zhì)量星團(tuán)吹散周圍物質(zhì)的集結(jié)風(fēng)可形成強(qiáng)激波并高效加速粒子。（圖片由chatGPT生成）

《中國科學(xué)：物理學(xué) 力學(xué) 天文學(xué)》英文版出版專題研究，匯集多項(xiàng)重要成果：

1. 首次在恒星形成區(qū)W43探測到超高能伽馬輻射（最高能量>400 TeV）。該區(qū)域占銀河系恒星總形成率的10%，是繼天鵝座恒星形成區(qū)后發(fā)現(xiàn)的第二個(gè)超高能輻射恒星誕生區(qū)。輻射范圍達(dá)50光年，與W43中心年輕大質(zhì)量星團(tuán)及周邊稠密氣體分布吻合。研究表明：星團(tuán)恒星風(fēng)與超新星激波將粒子加速至近光速，碰撞氣體產(chǎn)生伽馬射線；區(qū)域儲(chǔ)存宇宙線能量超2.5×1048爾格（太陽兩千萬年輻射總量），證實(shí)大質(zhì)量恒星活動(dòng)是宇宙線加速的關(guān)鍵場所[1].

圖3 W43位于銀河系的星系棒的一端，正好在銀心距4-6kpc環(huán)帶的范圍，那里是銀河系著名的靶物質(zhì)聚集區(qū)與恒星形成場所[7]。

2. 對(duì)超新星遺跡CTA-1（距離地球4600光年）的觀測揭示：其延伸至300 TeV的超高能輻射主要源自中心脈沖星風(fēng)云（PWN），理論推測其加速的電子能量與脈沖星風(fēng)云激波加速粒子能量的理論極限相當(dāng)。多波段數(shù)據(jù)證實(shí)粒子以對(duì)流主導(dǎo)方式被星風(fēng)裹挾傳播，測算出PWN平均磁場約4.5微高斯（與星際磁場相當(dāng)，約為地球表面磁場的十萬分之一），顯著低于傳統(tǒng)‘強(qiáng)磁場囚禁粒子’模型的預(yù)期，挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)模型[2]。

圖4 脈沖星噴射電子形成束縛在脈沖星周圍的電子云-脈沖星風(fēng)云。其中逼近光速的電子把能量傳遞給周圍的光子場，產(chǎn)生伽馬射線輻射。（圖片由chatGPT生成）

3. 探測到脈沖星PSR J0248+6021周圍彌散伽馬輻射（直徑29-49光年）。其形態(tài)特征表明它可能是脈沖星風(fēng)云或脈沖星暈（Pulsar Halo）——后者由高能電子在星際介質(zhì)中擴(kuò)散形成。該脈沖星年齡僅6.24萬年，是迄今最年輕脈沖星暈候選體，這一發(fā)現(xiàn)將幫助科學(xué)家理解脈沖星如何從脈沖星風(fēng)云演化到脈沖星暈，如何將能量注入星際空間，并挑戰(zhàn)著當(dāng)前對(duì)銀河系宇宙線傳播速率的認(rèn)知[3]。

圖5 目前脈沖星風(fēng)云到脈沖星暈演化的理論圖像。當(dāng)脈沖星風(fēng)云中的電子逐漸脫離脈沖星的束縛，進(jìn)入星際空間中擴(kuò)散時(shí)，形成的電子擴(kuò)散暈被稱為脈沖星暈[8]。

4. 針對(duì)未認(rèn)證超高能源J0056+6346u的多波段深度分析，發(fā)現(xiàn)其位置被多個(gè)氣體泡所環(huán)繞，這些氣體泡分別可能與年輕大質(zhì)量星團(tuán)與超新星遺跡候選體處于相近的空間區(qū)域。這些劇烈活動(dòng)的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)極可能是驅(qū)動(dòng)超高能輻射的"隱藏引擎"。而一個(gè)未被發(fā)現(xiàn)的脈沖星所對(duì)應(yīng)的脈沖星風(fēng)云也能用于解釋觀測到的現(xiàn)象。目前這個(gè)隱藏在重重氣泡下的宇宙線加速器，還等待著其神秘的面紗被揭開。LHAASO的觀測為我們提供了豐富的線索，未來結(jié)合x射線的多波段研究，有望幫助我們我們得到答案[4]。

正如來自意大利Arcetri天文臺(tái)的天體物理學(xué)家Elena Amato在專題評(píng)論中指出："LHAASO正革命性改變我們對(duì)銀河系的認(rèn)知，挑戰(zhàn)宇宙線起源的傳統(tǒng)理論[5]"。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)："這些發(fā)現(xiàn)如同宇宙線研究的'羅塞塔石碑'，將幫助人類解碼極端宇宙的物理規(guī)律[6]"。 專題成果已集結(jié)發(fā)表于SCIENCE CHINA Physics,Mechanics & Astronomy 2025年第7期。研究團(tuán)隊(duì)向所有貢獻(xiàn)者致謝，并期待全球科學(xué)家共同探索高能宇宙的未解之謎。

參考文獻(xiàn)

1. LHAASO COLLABORATION, CAO, Z., AHARONIAN, F., AXIKEGU, et al.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279502 Observation of the γ-ray emission from W43 with LHAASO doi:10.1007/s11433-024-2477-9

2. LHAASO COLLABORATION, CAO, Z., AHARONIAN, F., et al.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279503 Deep view of composite SNR CTA1 with LHAASO in γ-rays up to 300 TeV doi:10.1007/s11433-024-2479-4

3. LHAASO COLLABORATION, CAO, Z., AHARONIAN, F., AXIKEGU, et al.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279504 LHAASO detection of very-high-energy γ-ray emission surrounding PSR J0248+6021 doi:10.1007/s11433-024-2508-5

4. LHAASO COLLABORATION, CAO, Z., AHARONIAN, F., et al.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279505 Study of ultra-high-energy gamma-ray source 1LHAASO J0056+6346u and its possible origins doi:10.1007/s11433-024-2661-8

5. AMATO, E.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279506 LHAASO view of the Milky Way doi:10.1007/s11433-025-2638-5

6. YANG, R., & CAO, Z.2025, Sci. China Phys. Mech. Astron., 68, 279501
Editorial doi:10.1007/s11433-025-2655-y

7. NGUYEN LUONG, Q., MOTTE, F., SCHULLER, F., et al.2011, A&A, 529, A41 W43: The closest molecular complex of the Galactic bar? doi:10.1051/0004-6361/201016271

8. LóPEZ-COTO, R., DE O?A WILHELMI, E., AHARONIAN, F., et al.2022, Nat. Astron., 6, 199 Gamma-ray haloes around pulsars as the key to understanding cosmic-ray transport in the Galaxy doi:10.1038/s41550-021-01580-0