新星跻身宇宙射线加速器

能够产生高能宇宙粒子(包括强子和电子)的天体统称为宇宙粒子加速器。其中，能够产生强子的天体称为宇宙线加速器。到目前为止，人们观测到的宇宙射线最高能量达到了1020电子伏。

中国科学院高能物理研究所研究员陈松湛

最近，科学家们利用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周围的介质，将粒子拉在一起，加速到极高的能量。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”甚至可以将粒子加速到理论极限速度。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Nova是一种能量非常高的宇宙射线加速器(能量大于1011电子伏特)。”中科院高能物理研究所研究员陈松湛在接受科技日报记者采访时表示，未来，能够产生1012电子伏伽马射线的新星将成为地面探测装置的重要研究目标。Nova作为宇宙射线加速器，也是一个理想的天体物理实验室，可以用来检验现有的冲击波加速粒子理论。

加速能力弱，冲击波演化快。

宇宙射线是来自太空的高能粒子流。广义的宇宙射线是由各种原子核和极少量的电子、光子、中微子组成的。狭义的宇宙射线主要指强子。

宇宙射线也被称为传递宇宙事件的“星系陨石”和“信使”。这是因为宇宙射线本身就是宇宙天体的物质成分，它们给地球带来了关于宇宙起源和天体演化的宝贵信息。

“能够产生高能宇宙粒子(包括强子和电子)的天体统称为宇宙粒子加速器。其中，能够产生强子的天体称为宇宙线加速器。”陈松詹说，到目前为止，人们观测到的宇宙射线最高能量已达1020电子伏，是欧洲核中心LHC最大的粒子加速器3354的1000万倍。

1912年，奥地利科学家赫斯发现了宇宙射线，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，宇宙射线的起源及其加速机制被确定为新世纪11大“世纪谜题”之一，为此科学家们进行了深入研究，希望揭开宇宙射线起源之谜。

一百年后的今天，人类对宇宙射线有什么新的认知？

宇宙射线很难追踪。陈松说，宇宙射线主要是带电粒子，在太空飞行时会被行星际磁场偏转，逐渐偏离原来的方向。因此，很难根据观测到的宇宙射线到达地球的方向来推断宇宙射线发射源的方向。

幸运的是，宇宙射线中的伽马射线给科学家们留下了一扇窗。宇宙射线会与诞生地附近的星际气体发生碰撞，产生中性高能伽马射线，这种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的影响，因此伽马射线在空间中以直线传播。“通过探测伽马射线，我们可以直接找到父辈们带电粒子的加速源。”他说。

据了解，科学家已经发现了200个非常高能量的伽马射线源，但它们只能被称为宇宙射线源候选，因为除了宇宙射线，电子也能产生伽马射线。

加速机制符合主流理论模型。

陈松湛指出，目前粒子天体物理的核心问题是找到一种能够将强子加速到1015电子伏及以上的宇宙线加速器。

在加速机制方面，陈松战争表明宇宙粒子加速器如何加速粒子仍然是当前科学研究的前沿问题。已经知道不同种类天体的加速机制可能不同，但新星、超新星及其遗迹是同一类天体，它们的加速机制是相同的。

一般认为，粒子是被新星、超新星及其残迹抛出的高速物质与周围介质碰撞产生的冲击波加速，粒子反复穿过激波面逐渐获得能量，这就是耗散冲击波加速理论。陈松詹说，这是目前已知的一种非常有效的粒子加速机制，可以将冲击波10%左右的机械能转化为加速粒子的能量。

宇宙粒子加速器主要包括超新星爆发及其残余星云、脉冲星、伽玛射线暴、年轻大质量星系团、活动星系核等。一般认为，能量在1015电子伏特以下的宇宙射线来自银河系内的天体，而能量更高的宇宙射线来自银河系外的天体。

之前的观测研究表明，Nova是一台GeV(10亿电子伏特)宇宙粒子加速器，加速粒子的能力比上面提到的要弱很多。因此在地面伽马探测器观测中很难被探测到。

陈松说，这项最新研究是地面探测器首次观测到来自新星的能量大于1011电子伏特的伽马辐射，宇宙射线能量一般是其次级伽马光子的10倍。所以通过探测1012电子伏的伽马射线，证明了Nova可以将宇宙线粒子加速到1013电子伏，也就是说Nova成为了TeV(万亿电子伏)宇宙线加速器。"尽管如此，Nova实际上是一个相对较弱的宇宙射线加速器."他解释说，从能量的角度来看，TeV比PeV(数百亿电子伏特)要低一些。从目前的宇宙射线强度(每平方米每秒到达地球的宇宙射线数量)来看，新星产生的宇宙射线远小于地球观测到的宇宙射线总量。

那么，Nova作为宇宙线加速器的加速机制是怎样的呢？根据詹的说法，新星一般产生于由白矮星和普通恒星组成的双星系统中。白矮星表面吸附的氢气被白矮星的高温加热，引发剧烈的核爆炸。爆炸时甩出的高速物质与伴风碰撞产生强烈冲击波，可使粒子加速。

“新星最大的特点是辐射的快速演化，在‘天’的时间尺度上有显著变化，超新星爆发形成的冲击波会持续万年。因此，Nova可以作为一个理想的天体物理实验室来检验冲击波加速粒子的现有理论。”陈松说。

观测结果与理论最大加速能量相符。

什么样的天体在加速宇宙射线？粒子是如何被加速到极高能量的？

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。