新星躋身宇宙線加速器行列

近日，科學家利用位于非洲納米比亞的伽馬射線天文臺，首次觀測到新星產生的沖擊波撕裂了其周圍的介質，將粒子拉扯在一起并加速到極高能量，此次觀測到的伽馬射線，能量高達1012電子伏特，新星“蛇夫座RS”甚至可使粒子加速至理論極限速度。相關研究成果發表在國際學術期刊《科學》上。

“這項研究揭示了新星是甚高能（能量大于1011電子伏特）宇宙線加速器。”中國科學院高能物理研究所研究員陳松戰在接受科技日報記者采訪時表示，未來，可產生1012電子伏特伽馬射線的新星將會成為地面探測裝置的重要研究目標。作為宇宙線加速器，新星還是一種理想的天體物理實驗室，可以用于檢驗激波加速粒子的現有理論。

加速能力弱而激波演變快

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，廣義的宇宙線由各種原子核以及非常少量的電子、光子和中微子等組成，狹義的宇宙線主要是指強子。

宇宙線也被稱作“銀河隕石”、傳遞宇宙大事件的“信使”。這是因為宇宙線本身就是組成宇宙天體的物質成分，攜帶著宇宙起源、天體演化的寶貴信息來到地球。

“能夠產生高能宇宙粒子（包括強子和電子）的天體，被統稱為宇宙粒子加速器。其中，能夠產生強子的天體被稱為宇宙線加速器。”陳松戰表示，迄今為止，人們觀測到的宇宙線的最高能量已達到1020電子伏特，是目前人類最大的粒子加速器——歐洲核子中心大型強子對撞機（LHC）所能加速粒子能量的1000萬倍。

1912年，奧地利科學家赫斯發現宇宙線，開辟了基本粒子研究的新領域，赫斯也因此獲得了諾貝爾物理學獎。2004年，宇宙線起源及其加速機制，被確定為新世紀11個“世紀謎題”之一，科學家為此展開深入研究，希望能夠揭開宇宙線的身世之謎。

百年后的今天，人類對于宇宙線又有哪些新的認知？

宇宙線很難被追根溯源。陳松戰表示，宇宙線主要是帶電粒子，在宇宙空間飛行時會受星際磁場影響發生偏轉，逐漸偏離最初的方向。因此，根據地球上觀測到的宇宙線到達地球的方向，很難反推出宇宙線發射源的方向。

好在宇宙線中的伽馬射線給科學家留了“一扇窗”。宇宙線會與其誕生處附近的星際氣體碰撞產生中性的高能伽馬射線，伽馬射線是由高能光子組成的粒子流，與帶電粒子不同，光子的傳播不受磁場影響，因此伽馬射線在宇宙空間沿直線傳播。“通過探測伽馬射線，就可以直接找到其父輩帶電粒子的加速源頭。”他說。

據了解，科學家已經發現了200個甚高能伽馬射線源，但它們只能被稱為宇宙線源候選體，因為除宇宙線外，電子也會產生伽馬射線。

加速機制符合主流理論模型

陳松戰指出，目前粒子天體物理學最核心的問題，是尋找能夠加速強子到1015電子伏特及以上的宇宙線加速器。

在加速機制方面，陳松戰表示，宇宙粒子加速器是如何加速粒子的，仍然是目前科學研究中的前沿問題，已經知道的是，不同種類天體的加速機制可能不同，但是新星、超新星及其遺跡為同類天體，其加速機制是一樣的。

普遍認為，粒子是由新星、超新星及其遺跡拋出的高速物質與周圍介質碰撞產生的激波加速的，粒子反復穿越激波面逐步獲得能量，這就是耗散激波加速理論。陳松戰說，這是目前已知的非常有效的粒子加速機制，它可以將激波約10%的機械能轉化為被加速粒子的能量。

宇宙粒子加速器主要有超新星爆發及其遺跡星云、脈沖星、伽馬射線暴、年輕大質量星團、活動星系核等。一般認為能量在1015電子伏特及以下的宇宙線，來源于銀河系內天體，而更高能量的宇宙線來源于銀河系外天體。

此前觀測研究已表明，新星為GeV（10億電子伏特）宇宙粒子加速器，其加速粒子能力比上文提到的幾種天體弱很多。所以，在地面伽馬探測器觀測中很難被探測到。

陳松戰表示，此次最新研究是地面探測器首次觀測到來源于新星的、能量大于1011電子伏特的伽馬輻射，而宇宙線能量一般是其次級伽馬光子能量的10倍，所以通過探測到1012電子伏特的伽馬射線，證明了新星能夠加速宇宙線粒子到1013電子伏特，也就是說，新星成為了TeV（萬億電子伏特）宇宙線加速器。“盡管如此，新星其實還是相對比較弱的宇宙線加速器。”他解釋說，從能量上看，TeV與PeV（千萬億電子伏特）相比能量有些低；從宇宙線的流強（每秒每平方米到達地球上的宇宙線數目）上看，新星產生的宇宙線遠少于地球觀測到宇宙線的總量。

那么，新星作為宇宙線加速器，其加速機制是怎樣的？陳松戰表示，新星一般產生于由白矮星和普通恒星組成的雙星系統中，是由吸積在白矮星表面的氫被白矮星高溫加熱造成劇烈的核子爆炸現象，爆炸時拋出的高速物質與伴星星風碰撞產生強激波，激波可以加速粒子。

“新星最大的特點是輻射存在快速演化現象，在‘天’的時間尺度上存在顯著變化，而超新星爆炸形成的激波會持續萬年。所以說，新星可以作為理想的天體物理實驗室，來檢驗現有的激波加速粒子理論。”陳松戰說。

觀測結果符合理論最高加速能量

是什么樣的天體在加速宇宙線？粒子是如何被加速到極端高能的？這是新世紀科學家需要解答的宇宙難題之一。

此次最新研究中，科學家給出的理論預期最高能量為1013電子伏特。陳松戰表示，這項研究中的宇宙粒子加速器的理論極限，其實是根據耗散激波加速理論估計的粒子最高加速能量得出的。

粒子能獲得的最高能量受激波的速度、存在時間及對粒子的束縛能力等條件限制。耗散激波加速理論根據拋出物的速度、質量及其周圍介質的密度等條件，對加速粒子的最高能量進行估計。

科學家根據觀測到伽馬射線的最高能量來反推出其父輩粒子的能量，也就是在新星激波中加速粒子的能量，這個能量與耗散激波加速理論預期的最高能量相當。

我國四川稻城縣高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）的主要科學目標，就是通過探測能量在1014電子伏特以上的伽馬射線，尋找能夠加速1015電子伏特粒子的宇宙線加速器。超新星爆發及其遺跡星云能否加速宇宙線至1015電子伏特？這將需要LHAASO來探索和回答。

2021年，根據LHAASO的首批探測數據，科學家取得了重要的研究進展——發現了首批1015電子伏特宇宙粒子加速器，并觀測到1400萬億電子伏特的迄今最高能量光子。

“長久以來，超新星爆發及其遺跡被認為是銀河系內宇宙線的主要加速源，根據觀測驗證，只有大質量星產生的超新星爆發才可能加速粒子至1015電子伏特能量。”陳松戰說。