近日，我國重大科技基礎設施——高海拔宇宙線觀測站（拉索，LHAASO）發布"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超高能伽馬射線的壯麗圖景。這一系列發現為探索宇宙線起源、傳播及極端天體物理過程提供了全新視角，標志著人類進入超高能伽馬天文學研究的新紀元[1-6]。

圖1 銀河系聚集著豐富的靶物質與宇宙線加速器，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論性帶電粒子，作為除隕石外少數能抵達地球的系外物質樣本，承載著超新星遺跡、脈沖星風云、年輕大質量星團等極端天體的物理信息。其最高能量達人造加速器極限的十億倍，暗示宇宙中存在天然"超級加速器"。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地球？這些問題從宇宙線發現以來的一百年間， 一直是難解的謎題。而宇宙線起源問題被美國國家科學技術委員列為21世紀11個最前沿的科學問題。

要了解宇宙線從哪里來并不容易，因為宇宙線作為帶電粒子，在到達地球時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碰撞產生的中性伽馬光子——它們如同宇宙線方位的"指針"，不受磁場偏轉影響。

LHAASO：宇宙線尋蹤利器又有新發現

中國自主設計建造的全球靈敏度最高的超高能伽馬射線探測器LHAASO，由5216個電磁粒子探測器與1188個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鏡（WFCTA），能全時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域，蘊藏著大量宇宙線加速器與靶物質，是研究高能天體物理過程的天然實驗室。LHAASO憑借前所未有的靈敏度和寬能域覆蓋，首次對四個銀盤上的河內伽馬射線源的超高能伽馬射線進行觀測，為破解"宇宙線起源世紀之謎"走出了重要一步。

圖2 年輕大質量星團吹散周圍物質的集結風可形成強激波并高效加速粒子。（圖片由chatGPT生成）

《中國科學：物理學 力學 天文學》英文版出版專題研究，匯集多項重要成果：

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

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

2. 對超新星遺跡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云（PWN），理論推測其加速的電子能量與脈沖星風云激波加速粒子能量的理論極限相當。多波段數據證實粒子以對流主導方式被星風裹挾傳播，測算出PWN平均磁場約4.5微高斯（與星際磁場相當，約為地球表面磁場的十萬分之一），顯著低于傳統‘強磁場囚禁粒子’模型的預期，挑戰了傳統模型[2]。

圖4 脈沖星噴射電子形成束縛在脈沖星周圍的電子云-脈沖星風云。其中逼近光速的電子把能量傳遞給周圍的光子場，產生伽馬射線輻射。（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）。其形態特征表明它可能是脈沖星風云或脈沖星暈（Pulsar Halo）——后者由高能電子在星際介質中擴散形成。該脈沖星年齡僅6.24萬年，是迄今最年輕脈沖星暈候選體，這一發現將幫助科學家理解脈沖星如何從脈沖星風云演化到脈沖星暈，如何將能量注入星際空間，并挑戰著當前對銀河系宇宙線傳播速率的認知[3]。

圖5 目前脈沖星風云到脈沖星暈演化的理論圖像。當脈沖星風云中的電子逐漸脫離脈沖星的束縛，進入星際空間中擴散時，形成的電子擴散暈被稱為脈沖星暈[8]。

4. 針對未認證超高能源J0056+6346u的多波段深度分析，發現其位置被多個氣體泡所環繞，這些氣體泡分別可能與年輕大質量星團與超新星遺跡候選體處于相近的空間區域。這些劇烈活動的動力學結構極可能是驅動超高能輻射的"隱藏引擎"。而一個未被發現的脈沖星所對應的脈沖星風云也能用于解釋觀測到的現象。目前這個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天文臺的天體物理學家Elena Amato在專題評論中指出："LHAASO正革命性改變我們對銀河系的認知，挑戰宇宙線起源的傳統理論[5]"。項目團隊強調："這些發現如同宇宙線研究的'羅塞塔石碑'，將幫助人類解碼極端宇宙的物理規律[6]"。 專題成果已集結發表于SCIENCE CHINA Physics,Mechanics & Astronomy 2025年第7期。研究團隊向所有貢獻者致謝，并期待全球科學家共同探索高能宇宙的未解之謎。

參考文獻

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