新星跻身宇宙线加速器行列 科学家揭示宇宙线起源与加速机制

近日，科学家利用位于非洲纳米比亚的伽马射线天文台，首次观测到新星产生的冲击波撕裂了其周围的介质，将粒子拉扯在一起并加速到极高能量，此次观测到的伽马射线，能量高达1012电子伏特，新星“蛇夫座RS”甚至可使粒子加速至理论极限速度。相关研究成果发表在国际学术期刊《科学》上。

“这项研究揭示了新星是甚高能(能量大于1011电子伏特)宇宙线加速器。”中国科学院高能物理研究所研究员陈松战在接受科技日报记者采访时表示，未来，可产生1012电子伏特伽马射线的新星将会成为地面探测装置的重要研究目标。作为宇宙线加速器，新星还是一种理想的天体物理实验室，可以用于检验激波加速粒子的现有理论。

加速能力弱而激波演变快

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流，广义的宇宙线由各种原子核以及非常少量的电子、光子和中微子等组成，狭义的宇宙线主要是指强子。

宇宙线也被称作“银河陨石”、传递宇宙大事件的“信使”。这是因为宇宙线本身就是组成宇宙天体的物质成分，携带着宇宙起源、天体演化的宝贵信息来到地球。

“能够产生高能宇宙粒子(包括强子和电子)的天体，被统称为宇宙粒子加速器。其中，能够产生强子的天体被称为宇宙线加速器。”陈松战表示，迄今为止，人们观测到的宇宙线的最高能量已达到1020电子伏特，是目前人类最大的粒子加速器——欧洲核子中心大型强子对撞机(LHC)所能加速粒子能量的1000万倍。

1912年，奥地利科学家赫斯发现宇宙线，开辟了基本粒子研究的新领域，赫斯也因此获得了诺贝尔物理学奖。2004年，宇宙线起源及其加速机制，被确定为新世纪11个“世纪谜题”之一，科学家为此展开深入研究，希望能够揭开宇宙线的身世之谜。

百年后的今天，人类对于宇宙线又有哪些新的认知?

宇宙线很难被追根溯源。陈松战表示，宇宙线主要是带电粒子，在宇宙空间飞行时会受星际磁场影响发生偏转，逐渐偏离最初的方向。因此，根据地球上观测到的宇宙线到达地球的方向，很难反推出宇宙线发射源的方向。

好在宇宙线中的伽马射线给科学家留了“一扇窗”。宇宙线会与其诞生处附近的星际气体碰撞产生中性的高能伽马射线，伽马射线是由高能光子组成的粒子流，与带电粒子不同，光子的传播不受磁场影响，因此伽马射线在宇宙空间沿直线传播。“通过探测伽马射线，就可以直接找到其父辈带电粒子的加速源头。”他说。

据了解，科学家已经发现了200个甚高能伽马射线源，但它们只能被称为宇宙线源候选体，因为除宇宙线外，电子也会产生伽马射线。

加速机制符合主流理论模型

陈松战指出，目前粒子天体物理学最核心的问题，是寻找能够加速强子到1015电子伏特及以上的宇宙线加速器。

在加速机制方面，陈松战表示，宇宙粒子加速器是如何加速粒子的，仍然是目前科学研究中的前沿问题，已经知道的是，不同种类天体的加速机制可能不同，但是新星、超新星及其遗迹为同类天体，其加速机制是一样的。

普遍认为，粒子是由新星、超新星及其遗迹抛出的高速物质与周围介质碰撞产生的激波加速的，粒子反复穿越激波面逐步获得能量，这就是耗散激波加速理论。陈松战说，这是目前已知的非常有效的粒子加速机制，它可以将激波约10%的机械能转化为被加速粒子的能量。

宇宙粒子加速器主要有超新星爆发及其遗迹星云、脉冲星、伽马射线暴、年轻大质量星团、活动星系核等。一般认为能量在1015电子伏特及以下的宇宙线，来源于银河系内天体，而更高能量的宇宙线来源于银河系外天体。

此前观测研究已表明，新星为GeV(10亿电子伏特)宇宙粒子加速器，其加速粒子能力比上文提到的几种天体弱很多。所以，在地面伽马探测器观测中很难被探测到。

陈松战表示，此次最新研究是地面探测器首次观测到来源于新星的、能量大于1011电子伏特的伽马辐射，而宇宙线能量一般是其次级伽马光子能量的10倍，所以通过探测到1012电子伏特的伽马射线，证明了新星能够加速宇宙线粒子到1013电子伏特，也就是说，新星成为了TeV(万亿电子伏特)宇宙线加速器。“尽管如此，新星其实还是相对比较弱的宇宙线加速器。”他解释说，从能量上看，TeV与PeV(千万亿电子伏特)相比能量有些低;从宇宙线的流强(每秒每平方米到达地球上的宇宙线数目)上看，新星产生的宇宙线远少于地球观测到宇宙线的总量。

那么，新星作为宇宙线加速器，其加速机制是怎样的?陈松战表示，新星一般产生于由白矮星和普通恒星组成的双星系统中，是由吸积在白矮星表面的氢被白矮星高温加热造成剧烈的核子爆炸现象，爆炸时抛出的高速物质与伴星星风碰撞产生强激波，激波可以加速粒子。

“新星最大的特点是辐射存在快速演化现象，在‘天’的时间尺度上存在显著变化，而超新星爆炸形成的激波会持续万年。所以说，新星可以作为理想的天体物理实验室，来检验现有的激波加速粒子理论。”陈松战说。

观测结果符合理论最高加速能量

是什么样的天体在加速宇宙线?粒子是如何被加速到极端高能的?这是新世纪科学家需要解答的宇宙难题之一。

此次最新研究中，科学家给出的理论预期最高能量为1013电子伏特。陈松战表示，这项研究中的宇宙粒子加速器的理论极限，其实是根据耗散激波加速理论估计的粒子最高加速能量得出的。

粒子能获得的最高能量受激波的速度、存在时间及对粒子的束缚能力等条件限制。耗散激波加速理论根据抛出物的速度、质量及其周围介质的密度等条件，对加速粒子的最高能量进行估计。

科学家根据观测到伽马射线的最高能量来反推出其父辈粒子的能量，也就是在新星激波中加速粒子的能量，这个能量与耗散激波加速理论预期的最高能量相当。

我国四川稻城县高海拔宇宙线观测站(LHAASO)的主要科学目标，就是通过探测能量在1014电子伏特以上的伽马射线，寻找能够加速1015电子伏特粒子的宇宙线加速器。超新星爆发及其遗迹星云能否加速宇宙线至1015电子伏特?这将需要LHAASO来探索和回答。

2021年，根据LHAASO的首批探测数据，科学家取得了重要的研究进展——发现了首批1015电子伏特宇宙粒子加速器，并观测到1400万亿电子伏特的迄今最高能量光子。

“长久以来，超新星爆发及其遗迹被认为是银河系内宇宙线的主要加速源，根据观测验证，只有大质量星产生的超新星爆发才可能加速粒子至1015电子伏特能量。”陈松战说。(唐芳)

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