宇宙电磁辐射为人类观察星星提供了最有效的天文窗口,涵盖了20多个数量级的广泛能量范围无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和伽马射线。一般来说,随着光子能量的增加,其辐射机制对应着更剧烈的天文活动和更极端的天体物理环境。伽马射线位于宇宙电磁辐射谱的最顶端,为人类研究极端条件下的高能物理过程和天体演化提供了探针。20世纪末,人类利用切伦科夫望远镜进行多次实验,对大气层进行长达10多年的成像,成功开启了超高能段,即当时最高能量的天文窗口,取得了有益的科学成果。超高能伽马天文学是人类观测宇宙的最后也是最高能量的电磁辐射窗口,只有少量的超高能伽马射线沉浸在广阔的宇宙射线背景中。超高能伽马射线的探测一直是人类面临的巨大挑战,一直处于未探索的领域。
国家主要科技基础设施“高空航天器观测站”于2017年11月开工建设,2019年底半规模平方公里阵列建成并投入科学运行。12个超高能伽马射线源为超高能伽马射线天文学打开了一扇窗户,超高能伽马射线是人类观测宇宙的最高能量电磁辐射。从12个伽马射线源探测到高达14PeV的超高能光子于2021年5月17日在《自然》杂志上正式发表。
由于超高能伽马射线来自比自身能量更高的粒子,因此可以利用它们来追踪这些高能粒子的起源、加速和传播机制。宇宙高能粒子加速器作为破译高能宇宙线的钥匙,是揭开这个“世纪之谜”起源的金钥匙。然而,探测超高能伽马射线非常困难,超高能伽马射线探测器必须同时满足以下五个条件。
大面积超高能伽马射线非常罕见。每平方公里每天只能收到1-2个。为了捕捉它,必须在一平方公里范围内布下一张“淹网”。至少1平方公里;
强大的伽马/背景辨别能力这些罕见的伽马事件与航天器背景混合数千倍。探测器必须拥有敏锐的眼睛,准确识别伽马事件和宇宙射线背景事件,才能大海捞针。在数千种背景中寻找罕见的伽马射线实例。
高海拔探测超高能伽马射线需要前往海拔4000米至5000米的雪域高原,虽然这里空气稀薄,呼吸困难,但却是探测超高能伽马射线的地点。-高能伽马射线。高能伽马射线;
视野广阔一双锐利的眼睛只能看到天空的一部分,但千万双眼睛必须凝视整个天空,才不至于失去一个珍贵的例子。
全天候这些锐利的眼睛不能眨眼,必须在风雨中日夜努力,捕捉每一个事件。
LHAASO站点平均海拔为4,410米,KM2A由5,195个电子粒子探测器组成,在136平方公里的面积上呈锯齿形排列,以探测这些外星访客。40,000平方米负责从数以万计的伽马事件中精确选择一个,让整个阵列能够每天24小时监测整个天空。KM2A探测超高能伽马射线的灵敏度比欧洲正在建设的切伦科夫望远镜阵列高15倍。
随着电磁波特别是最高能量电磁波新窗口的打开,浩瀚宇宙中许多新的科学发现将不可避免地降临到人类身上,人类将发现新的物理定律。KM2A局域阵列不到一年的观测就揭示了众多天体具有超高能辐射。由于缺乏超高能量加速能力,这些物体的能谱在高能端并没有明显被切断。-高能粒子,正如科学家之前预测的那样,这对现有的理论模型非常重要,提出了强有力的挑战,KM2A迄今为止观测到的最高能量光子超过1PeV,是科学家们一直在等待的PeV粒子持续很长时间。表明存在加速器。自从寻找人类居住的银河系以来,人类找到了研究超高能粒子加速和辐射机制的方法。一个天然的实验室,有趣的是,人类观察到的最高能量光子是天鹅座著名的“茧壳”。长期以来,科学家们一直认为这是超高能宇宙射线的来源,但尚未找到证实的来源。证据表明,这些PeV光子的发现为这个题提供了案。随着统计数据的增长,KM2A将很快提供关键证据。
LHAASO目前的科学发现只是超高能伽马天文学的冰山一角。四分之三规模的LHAASO于2020年底进入科学运行,预计整个阵列将于2021年建成并投入科学运行。随着时间的推移,LHAASO将利用远远超出当前水平的灵敏度来破解有关高能宇宙射线起源和相关高能辐射、天体演化和暗物质分布的“世纪之谜”。
高空航天器观测站
KM2A测量的超高能伽马射线中的天空图和星系部分特写。
高空航天器观测站和主要科学目标
高空宇宙线观测站是以宇宙线观测和研究为核心的国家重大科技基础设施,位于四川省桃城县海拔4410米的海子山上。由5195个电磁粒子探测器和1188个子探测器组成的1平方公里地面簇射粒子阵列覆盖约136平方公里,由78000平方米水切伦科夫探测器和18个广角切伦科夫望远镜组成的复合阵列交错阵列。LHAASO使用这四种探测技术来测量航天器的各个方向和各种变量。
高空宇宙线观测站的核心科学目标是探索高能宇宙线的起源以及由此产生的宇宙演化和高能天体活动,以及寻找暗物质。通过精确测量宇宙中,特别是银河系内从1TeV到1PeV以上的宽能量范围内的低到低能谱,并测量更高能量的漫射宇宙射线的成分和能谱,我们揭示了以下内容法律探索航天器加速、传播和新的物理领域。
PeV空间对撞机和PeV光子学
“贝塔电子电压宇宙加速器”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常微弱,即使是被称为“伽马天文标准蜡烛”的天空最亮的蟹状星云,也发出超过1PeV的能量。一年只有一两个光子落在一平方公里的区域上,而这一两个光子被锁定在数以万计的典型航天器实例中。LHAASO平方公里探测阵列中的1,188个子探测器专门设计用于排除非光子信号,使其成为世界上最灵敏的超高能伽马射线探测器。由于这种前所未有的灵敏度,半尺寸的KM2A仅用了11个月就探测并识别了蟹状星云中约1PeV的伽马光子。此外,KM2A在银河系中发现了12个类似光源,均具有超高能光子辐射,其能谱可靠延伸至PeV附近,使探测到的伽马光子最高能量达到14个,创历史新高。高的。LHAASO的这些科学成果可以说是航天器起源研究过程中具有里程碑意义的里程碑。具体来说,在以下三个方面取得了科学突破
1)据透露,我们银河系中存在一个空间加速器,可以将粒子能量加速到1PeV以上。在本次观测中,LHAASO能够有效观测到的伽马射线源中,几乎所有伽马射线源的辐射能谱都可靠地延伸到数百TeV,没有任何明显的截断,表明发射这些伽马射线的母粒子的能量超过1佩伏。这打破了目前流行的理论模型所声称的银河宇宙线加速的PeV能量极限。同时,LHAASO发现银河系中存在大量PeV宇宙加速源,为解决宇宙线起源科学题迈出了重要一步。
2)开启“超高能伽马天文学”时代。1989年,亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了第一个伽马射线高于01TeV的天体,开创了“极高能量”伽马射线天文学的时代。在接下来的30年里,超过200件物品被发现。“极高能量”伽马射线源。直到2019年,人类才发现第一个发出“超高能”伽马射线辐射的天体。值得注意的是,根据半比例LHAASO不到一年的观测数据,“超高能”伽马射线源的数量已增加到12个。
随着LHAASO的完成和数据的不断积累,这项最高能量天文学研究有望向我们展示充满新现象的未知“超高能量宇宙”,为探索极端天体物理现象提供丰富的数据。宇宙。来自大爆炸的背景辐射无处不在,吸收高于1PeV的伽马射线。在银河系之外,即使产生PeV伽马射线,这些PeV伽马射线由于背景辐射光子的严重吸收而无法被接收。LHAASO为探测银河系PeV辐射打开了一扇窗口,这对于研究遥远的宇宙也具有特殊意义。
3)天鹅座区域和蟹状星云首次出现能量超过1PeV的伽马射线光子。PeV光子的探测是伽马天文学的里程碑,传达了伽马天文学界的梦想,长期以来一直是伽马天文学发展的强大动力。事实上,20世纪80年代伽马天文学爆发的一个重要动机就是挑战PeV光子极限。天鹅座恒星形成区是北部天空银河系最亮的区域,是一个大质量恒星团。大质量恒星的寿命只有几百万年,因此星团内部充满了剧烈的活动。具有复杂特征的恒星生死的强烈冲击波环境,使其成为加速航天器的理想场所,被称为“粒子天体物理实验室”。
LHAASO首次在天鹅座恒星形成区域发现了PeV伽马光子,使这一备受追捧的天空区域成为寻找超高能宇宙射线资源的黄金地点。该区域将成为LHAASO及相关多波段、多信使天文观测设备的核心,有望成为破解“世纪之谜”的突破口。
历史上对蟹状星云的大量观测研究使其几乎成为唯一具有明确辐射机制的标准伽马射线源。跨越22个数量级的精确光谱测量清楚地揭示了电子加速器的标志性特性。然而,LHAASO测量到的超高能谱,特别是PeV能量的光子,对高能天体物理的“标准模型”乃至更基础的电子加速理论提出了严峻的挑战。
技术创新
LHAASO具有高速前端信号数字化、高速数据传输、大规模计算集群,可以满足多种触发方式等尖端并行触发方式的需求。技术要求硅光电管和超大感光面积微通道板光电倍增管首次大规模采用等先进传感技术伽马射线测量的空间分辨率显着提高,探测阈值能量变得更低,使人类能够探索更深的空间等方面,更高能量的射线也达到了前所未有的水平。LHAASO还为大气、环境、空间天气等前沿交叉科学研究提供了重要的实验,成为多边合作共同开展高水平研究的科学基础。
中国航天器研究发展史
我国航天器实验研究经历了三个阶段,目前正在建设中的LHAASO是第三代高空航天器实验室。Alpine实验可以充分利用大气层作为传感介质,从地面进行观测,探测器的规模可以远大于大气层外的天基探测器。由于缺乏超高能航天器,这是唯一的观测手段。1954年,我国第一个高山航天器实验室在云南省东川市洛树山(海拔3180米)建成。1989年,中日飞船实验在西藏羊八井海拔4300米处开始,2000年,中意Argo实验开始。
2009年北京香山科学大会上,曹震研究员提出了建设“高空航天器观测站”的完整构想,即在高空建造大型复杂探测阵列。LHAASO主体工程于2017年开工建设。2019年4月,完成1/4规模建设并开始科学运营。LHAASO于2020年1月完成1/2规模建设并开始运营,同年12月完成3/4规模建设并开始运营。2021年,LHAASO阵列将全面建成,成为世界领先的超高能伽马探测装置,长期运行,对宇宙线起源进行多方面的探索性研究。
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