2021年5月，我國的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，簡稱“拉索”）隆重發布了第一封“天鵝座來信“（以下簡稱《天鵝座來信1》），講述了能量刷新人類紀錄、高達千萬億電子伏伽馬光子背後的故事，帶來了開啓“超高能伽馬天文學新時代”的驚喜。今年，天鵝座又“來信”了。

2024年2月26日，“拉索”國際合作組在中國的《科學通報》上以封面文章發佈了從天鵝座傳來的重磅新消息（以下簡稱《天鵝座來信2》）：

科學家在這裏“看”到了一個巨型泡泡，這不是肥皂泡，而是肉眼看不見的超高能伽馬光子泡。並且在泡泡中心找到了發射伽馬光子的“老窩”，他們欣喜地稱之爲“超級宇宙線加速器”。

請搬好小板凳，聽我給各位看官嘮一嘮天鵝座與“拉索”的故事。

第一回：天然的粒子物理實驗室——天鵝座

在離太陽系4000~5000光年外，銀河系裏有個星區叫天鵝座，這可是個直徑超千光年的巨無霸天鵝，標誌就是夏夜天空中比較亮的北十字星。

北天區顯眼的北十字星，天鵝座（Cygnus）（圖片來源：veer圖庫）

在那兒，聚集着許多大質量恆星團，太陽這般大小的恆星都排不上號。強弓易折，質量大就死得快，大質量恆星死去時的超新星爆發會形成星際雲，那就是新一代恆星的搖籃。所以天鵝座也是個比較年輕的恆星孕育區域。在恆星的生死交替間，劇烈的星風（比太陽風劇烈多了）在噴射各種粒子，整個區域裏還聚集着塵埃、星雲以及各種星團，結構複雜，天體活動異常活躍，天鵝座因此被稱爲“天然的粒子天體物理實驗室”。

第二回：宇宙信使——宇宙線

宇宙線是來自宇宙空間的高能量帶電粒子，這些粒子攜帶着發出它的天體源的信息。

人們意識到宇宙線的存在，還是上個世紀初的事。

1912年，維克托·赫斯就職於奧地利科學院的鐳研究所，從事放射性相關研究。他爲了得出“是否是地面岩石的放射性導致空氣電離”的答案，乘坐熱氣球做了多次飛行實驗。結果出乎預期，他發現了來自高空的未知射線，他在論文中稱之爲“宇宙輻射（cosmic radiation）”。

十多年後，已經因爲油滴實驗測量元電荷量而獲得1923年諾獎的羅伯特·密立根，注意到赫斯的發現，他通過水下探測實驗驗證了確實有“天外來客”，並將這種射線正式命名爲“宇宙線”（comic ray）。

宇宙線的發現引發了一大批新粒子的發現，比如第一個反粒子：正電子，粒子物理學盛宴開啓（不過現在的粒子物理研究主要靠人造加速器，不能光靠天喫飯啊）。赫斯也因爲發現宇宙線的貢獻被授予1936年諾獎。

赫斯和他的夥伴們準備第七次高空實驗

發現宇宙線一百多年以來，人類對宇宙線的研究伴隨着粒子物理和高能天體物理的發展，達成一些基本認識。比如宇宙線的能量差別很大，見下圖：

宇宙線能譜及其“膝”、“踝”結構，越接近“踝”，能量就越高（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

在上圖中，你有沒有發現兩個明顯的拐點？宇宙線的能譜在千萬億電子伏（10^15）附近突然就拐下來了，在百億億電子伏（10^18）附近又翹起來，科學家幽默地稱之爲宇宙線能譜的“膝”和“踝”。爲什麼會出現這種現象，我們還不得而知。

目前科學家普遍推測，“膝關節”以上能量較低的宇宙線應該來自於銀河系內，那些“踝關節”以下更高能量的應該來自河外。

宇宙線就像信使，給我們帶來宇宙深處的各種信息。我們想知道，這些信息是從哪兒發出的，具體內容是什麼，信使一路上都經歷了什麼，爲什麼會形成“膝”和“踝”？那麼，怎麼知道信是從哪兒發出的呢？

宇宙線中約90%是質子，就是H2O裏面那個氫原子核。由於帶電粒子在星際磁場中會發生偏轉，所以我們即使探測到了這些粒子的方向，也無法判定它自何方來。但天無絕人之路，這些帶電粒子與天體源附近的粒子碰上，會留下蹤跡，產生一些次級粒子，如光子和中微子，它們不帶電，那我們觀測到這些粒子就能追蹤溯源，就能摸到這些宇宙線的“老窩”了。

宇宙線在星際空間傳到地球的示意圖

說起來似乎很容易，但是探測宇宙線真的太難了，“高能宇宙線起源”甚至被列爲了世紀之謎。

下一回，“拉索”該出場了。

第三回：地上的宇宙線觀測利器——“拉索“

要研究宇宙線，我們得先撈到宇宙線粒子。前面講過，帶電的粒子在星際磁場中會偏轉，即使“捕撈”到也找不到源頭，那我們就抓那些不帶電的次級粒子，撈多些光子和中微子好好研究下。

但是中微子可不好抓。它相當輕，不帶電，只參與弱相互作用，宇宙對它幾乎是透明的，號稱“宇宙隱形人”，因此非常不容易被探測到。因此要想抓到這些“隱形人”，需要一些特殊環境，比如在特別深的礦洞或極深的水下冰下，造大規模的探測器陣纔有可能。

日本那位患小兒麻痹的差生傳奇人物，小柴昌俊，2002年因“對天體物理學的開拓性貢獻，特別是宇宙中微子探測方面”獲得諾獎，主要是由於他領導的神岡實驗（位於地下千米的廢棄礦洞裏）於1987年首次觀測到了超新星爆發的中微子，超新星爆發的中微子能量在幾十個兆電子伏範圍。2013年，在南極的“冰立方”實驗在冰下近2千米的地方佈下天羅地網捕捉到了萬億電子伏以上的高能中微子。

南極冰立方實驗室與冰下探測器的視覺效果圖（圖片來源：https://icecube.wisc.edu/gallery/）

而想要在地球上捕捉來自宇宙深處能量更高而數量更少的中微子，需要建立超大型的探測器。比如中國科學家們提出在貝加爾湖或南海建立探測百萬億電子伏以上的高能中微子望遠鏡。目前在世界各地的湖海深處，下一代的高能中微子望遠鏡正在緊鑼密鼓建設中。

相比中微子，光子就比較好抓了。光子跟我們的日常生活密切相關，根據光子的能量從低到高被劃分爲無線電波、微波、紅外線、可見光、紫外光、X射線和伽馬射線，伽馬射線就是能量最高段的伽馬光子。我們可以發射探測器到太空直接測量來自宇宙的高能光子，比如“慧眼“衛星，就是專門捕捉X射線的空間探測器。但太空中可捕撈的光子數量有限，探測器造價還挺貴。那麼在地面上能不能探測？

在軌運行6年多的硬X射線調製望遠鏡衛星，暱稱“慧眼”（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

由於高能光子進入大氣層會撞擊到空氣中的粒子，會產生很多次級粒子，被稱爲大氣簇射，英文名字爲Air shower，直譯爲空氣淋浴，其實挺形象，一顆光子進來會引發一場粒子淋浴，在地面上能夠捕捉到的是宇宙線引發的次級粒子。因此，我們在地面上打造很多裝備，打撈並且分辨哪些是來自宇宙線的高能伽馬光子，也是探索宇宙來信的必要手段。

而拉索，就是負責打撈這些光子的利器。

八卦下“拉索”的中英文名字，少見的不是中英文一一對應。

LHAASO 是Large High Altitude Air Shower Observatory的英文首字母縮寫，中文簡稱“拉索”。與英文對應的中文名字是“大型高海拔空氣簇射觀測站“，項目申報立項時，還被“嫌棄”這個中文名字太專業了，最終精簡爲高海拔宇宙線觀測站。英文爲啥沒有對應修改？其一是LHAASO的英文名已經揚名海外了，另外英文簡寫的發音“拉索”在藏語寓意“哦也，好啊”，而“拉索”正是建在藏區（四川稻城海子山上），多好的寓意。

第四回：《天鵝座來信2》講了什麼？

在《天鵝座來信1》裏，拉索觀測到了來自天鵝座、能量超過千萬億電子伏特的伽馬光子，這也讓天文學家們興奮不已，因爲這打破了銀河系內宇宙線到不了“膝”下的認知!

2021年5月，《天鵝座來信1》---拉索發佈的重大成果（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

在此後的2年多里，“拉索”繼續觀測到大量來自天鵝座的伽馬光子，逐漸“看清楚”在天鵝座有一個巨型的伽馬光子泡。要注意的是，這個泡泡咱用眼睛看不到，科學家們經過複雜的數據分析才合成出這個巨型泡泡圖像。

這個大泡泡有多大？直徑一千光年左右。一千光年是什麼概念？太陽系的幾百倍吧，奧爾特雲包裹着整個太陽系，直徑也就2光年左右！

看到這個泡泡，科學家們非常興奮，按照現有的模型，宇宙線在天體源附近的擴散要比在星際空間慢很多，纔可能形成這樣一個巨型的高能伽馬光子泡泡。但具體形成原因是什麼，還有待科學家們更多考證和研究。

《天鵝座來信2》---拉索發佈的重大成果圖之一（圖片來源：中國科學院高能物理研究所）

經過科學家們的數據分析，最終呈現給我們天鵝座裏的這幅泡泡圖：很魔幻，一個有複合結構的巨型泡泡。圖中不同顏色的點代表不同能量伽馬光子，400萬億電子伏以上的伽馬光子有70個，千萬億電子伏以上的伽馬光子有8個。

且慢，下面纔是劇情的高潮：拉索團隊經過一年多的物理分析，考慮多方面的因素，各種理論計算，這個泡泡的內部結構跟天鵝座的獨特星團、星際塵及氣體雲的複雜結構密切相關。而且在這個千光年直徑的泡泡中心定位出一個數十光年大小的區域，認證這個有數十顆大質量恆星的天鵝座星協OB2，在源源不斷地發射出超高能宇宙線，他們稱之爲：“超級宇宙線加速器”，並且做了多方面計算演練，看看什麼條件下能加速出億億電子伏這麼高能量的宇宙線。

這個位置怎麼劃定的？過程很複雜，舉個不太恰當的例子，綁匪片裏面經常通過延長足夠的通話時間來鎖定壞人的具體位置，我們要確定天鵝座的準確來信，也需要接受到足夠多的宇宙信使，經過一定的技術分析處理，才能鎖定發信的具體位置。

這個人類首次發現的超級宇宙線加速器有多厲害呢？地球上最大的加速器，歐洲核子中心的LHC，可以將質子加速到幾萬億電子伏，這次拉索收到PeV光子有8個，按照理論能產生PeV光子至少需要10倍能量的宇宙線粒子（億億電子伏），這是人造加速粒子的上萬倍，OMG！

在這個天鵝座OB2裏面，超大質量的恆星有幾十顆，它們的質量大概是太陽的幾十倍，體積數萬倍。科學家們計算，這樣規模的恆星可以吹出1000千米每秒的星風。最高速的颱風幾十米每秒，最快的炮彈也不過幾千米每秒，這些超級星風撞在一起，遠超人造加速器的能量，確實可以撞出億億電子伏的超級宇宙“炮彈”來，對，天鵝座的來信就是這些“炮彈”送來的。

萬一我被這麼高能量的超級宇宙炮彈擊中，
會怎樣？
放輕鬆！首先這麼高能量的宇宙炮彈能來到地球的幾率已經很小很小，“拉索”鋪在雪域高原兩千多畝的大網，守株待兔撈了兩年多也沒撈多少啊。其次，我們有大氣層保護，即使個別超高能量的光子抵達，早已“隨風潛入空氣”中。這也是拉索爲啥要建在在高海拔的無人區的主要原因。最後，高能伽馬光子這種我們看不到的基本粒子能量即使是億億電子伏，換算成我們熟悉的焦耳，也不過0.00016焦耳，只夠維持極小的電子器件工作一瞬間，放心，毫無傷害。

在遙遠的天鵝座區域，人類首次認證到一個可以加速億億電子伏這麼高能量的宇宙線天體源，確實令人興奮，但還不能說已經揭開高能宇宙線起源這個世紀之謎，只能算敲門打個招呼：“嗨，世紀之謎，我來了”。未來，“拉索”聯合大型高能中微子望遠鏡，以及衆多空間探測器等，集全人類之文明，有望解鎖 “高能宇宙線起源”這個世紀之謎。

到此，《天鵝座來信2》這個故事可以暫告一段，但“拉索”和更多宇宙線的故事值得期待。