◎ 科技日报采访人员 陆成宽
超高能光子的“加速度”究竟是谁给的？
5月17日 ， 采访人员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1.4PeV 。
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1.4PeV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1PeV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 。
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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0.1PeV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0.1PeV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 。
【银河系|激动！突破人类认知】“‘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” 。
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“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 。
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高海拔宇宙线观测站“拉索”
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 。
来源：科技日报 文中图片均由中科院高能所提供
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