人类首次在自然界中观测到宇宙射线加速器的存在。

艺术家笔下描绘的伽马射线暴及其产生的相对论喷流。DESY / Science Communication Lab

伽马射线暴是一种极端高能的宇宙事件。伽马射线暴发生时，天空中某一方向的伽马射线强度会在短时内突然增强，并迅速减弱。近年来天文学家探测到了多个极端强大的伽马射线暴，但是关于它们的源头，人们只知道在银河系内。它们究竟来自哪里，以及由什么机制触发，仍都是谜。

中国科学院的高海拔宇宙线观测站（LHAASO），曾经在天鹅座产星区探测到一个强大的伽马射线暴GRB 221009A。这个伽马射线暴释出的能量，是伽马射线暴能量平均值的10倍以上。GRB 221009A也是迄今为止人类观测到的最“明亮”的伽马射线暴。而在此基础上，研究人员还宣布，他们精确地测出了该伽马暴的能量光谱，并有史以来第一次追踪到该能量级宇宙射线的源头。

中国科学院高海拔宇宙线观测站由5216个电磁粒子探测器和1188个μ子探测器，以及一个占地78000平方米的水切伦科夫探测器阵列和18个切伦科夫望远镜组成。观测站位于海拔4410米的四川稻城海子山上，其对研究宇宙射线十分擅长。

宇宙射线抵达地球后，会与地球的大气层相互作用，产生次级粒子“雨”并到达地面。但宇宙射线的起源问题，是当今天体物理学中最重要的课题之一。过去几十年中，天文学家探测到了3个峰值大约在1千万亿电子伏特的伽马射线暴。1千万亿电子伏特这一能量峰值，是宇宙射线的一个极限，主要由被加速到近光速的质子组成。科学家相信，能量值低于这一水平的宇宙射线来自银河系内部。

但是能量峰值高于这一极限的宇宙射线来自何处，却一直困扰着天体物理学家。根据此项研究提供的数据，研究人员认为，在太阳系邻近区域最大的产星区——距离地球约4000光年的天鹅座X星团内，存在一个巨大的超高能伽马射线泡。科学家在这个泡内探测到的高能质子能量峰值达到了2.5千万亿电子伏特，而那些被从泡内甩出的质子能量峰值，达到了2亿亿电子伏特。

研究人员推测，在这个伽马射线泡内，存在一个巨大的宇宙射线加速器。而这个加速器很有可能和存在于天鹅座X星团内的一个大质量星群“天鹅座OB2星协”有关。

“天鹅座OB2星协”由多颗年轻的大质量恒星组成，包括蓝白色的O型巨星和B型蓝巨星。O型巨星的表面温度在35000℃以上，而B型巨星的表面温度超过15000℃。这些巨星的辐射压是太阳的数亿倍，能够产生每秒数千千米的恒星风（类似于太阳风，但太阳风的速度只有每秒数百千米）。这样的恒星“狂风”与星际介质相互作用，就会产生高能伽马射线，并为粒子的加速提供理想环境。

这一发现意味着人类首次在自然界中观测到宇宙射线加速器的存在。研究人员发现，这样的加速器能够有效地增加星际介质中宇宙射线的密度，使银河系宇宙射线的能量极大地超越平均值。除此之外，研究人员还发现，目标区域背景光在红外波段上的亮度比理论值低很多，只有宇宙学模型预测结果的大约40%。

这一系列研究结果对伽马射线暴余晖的标准模型发起了挑战，它可能还会迫使天文学家反思当前的星系形成和演化模型，并为狭义相对论以及暗物质“轴子论”的验证提供重要信息。

参考LHAASO Discovers Giant Ultra-high-energy Gamma-ray Bubble, Identifying the First Super PeVatronhttps://english.cas.cn/newsroom/research_news/phys/202402/t20240222_657352.shtmlAn ultrahigh-energy γ-ray bubble powered by a super PeVatronhttps://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S209592732300912X