宇宙射线主要由质子组成，同时也包含少量的电子。部分宇宙射线的能量超过了人造粒子加速器产生的能量。位于瑞士和法国边境的大型强子对撞机可以将质子加速到接近光速，然而太空中的天然加速器能将粒子推向更高的能量层级。
由广岛大学领导的一个国际研究团队在综合了地球上和太空中三个主要天文台的观测数据后，确认了这一银河系加速器。研究结果于2026年7月16日发表在《天体物理学杂志》（The Astrophysical Journal）上。
具有非凡能量的天然加速器
“这种巨大的能量使得宇宙射线在天文学和天体物理学中具有重要意义，”该研究的第一作者兼通讯作者、广岛大学天体物理科学中心副教授Tsunefumi Mizuno说道。
宇宙射线的能量以电子伏特为单位测量，该单位描述了电子在其电势增加一伏特时所获得的能量。
“银河系宇宙射线的最高能量可以达到并超过一千万亿（1015）电子伏特，即拍电子伏特。寻找能量超过该PeV量级的宇宙射线质子加速器（被称为质子PeVatron）是现代天体物理学中最令人兴奋的课题之一，我们确认了一个此前被称为LHAASO J1912+1014u的此类天体。”
质子PeVatron是一种能够将质子加速至超越PeV阈值的天然宇宙加速器。识别这些天体非常困难，因为科学家必须将质子产生的信号与高能电子产生的信号区分开来。
伽马射线指向可能的PeVatron
自1990年以来由日本和中JianCe合领导的西藏AS伽马实验，以及中国的大型高海拔空气簇射观测站（LHAASO）已经探测到了数十个能量超过0.1 PeV的伽马射线源。其中一个源就是LHAASO J1912+1014u。
伽马射线是电磁辐射中能量最高的形式。当宇宙射线粒子与其周围环境相互作用时可以产生伽马射线，其能量通常约为产生它们的宇宙射线携带能量的十分之一。
因此，产生PeV范围以下伽马射线的源可以被视为可能的PeVatron候选体。早期研究表明，LHAASO J1912+1014u可能是脉冲星风云或大质量恒星爆炸后留下的另一种类型的残骸。
“然而，仅靠西藏AS伽马实验和LHAASO实验的数据无法明确识别质子PeVatron，因为PeV宇宙射线电子也能产生较低能量的伽马射线，”Mizuno说。
这些观测的图像分辨率有限，意味着研究人员无法足够仔细地检查该源，以确定是质子还是电子导致了伽马射线的产生。
三个天文台提供了缺失的证据
其他几台仪器提供了补充信息。其中包括费米大视场望远镜（Fermi-LAT），这是一项由NASA领导、广岛大学协助开发和运行的任务；由日本领导的、利用野边山45米望远镜进行的FOREST无偏银河系平面成像巡天（FUGIN）；以及NASA的钱德拉X射线天文台。
LHAASO J1912+1014u于2024年被发现。它位于天鹰座，靠近牛郎星，即组成“夏季大三角”的著名恒星之一。科学家最初将该天体归类为超新星遗迹，但在探测到100 TeV以上的辐射后，这一解释变得不那么确定。
“结合多个实验的数据，我们详细研究了LHAASO J1912+1014u，”Mizuno说。
这些天文台共同提供了跨越电磁波谱广阔范围的测量数据，从无线电波到伽马射线。这使得研究人员能够建立该源的详细多波长模型。
跨越能谱的信号结合
Fermi-LAT测量了能量接近吉电子伏特的伽马射线，即十亿电子伏特。钱德拉收集了较低能量的X射线观测数据，而FUGIN提供了能量更低的无线电数据。
研究团队将这些测量结果与包括LHAASO在内的仪器获得的太电子伏特观测数据相结合。最终的结果有力地表明LHAASO J1912+1014u是一个质子PeVatron，并使研究人员能够排除其他可能的解释。
三个主要发现支持了这一结论。
首先，伽马射线信号从超过100万亿电子伏特平滑延伸至4亿电子伏特。据Mizuno介绍，如此宽的能量范围使得该源主要加速电子的可能性降低。
其次，GeV伽马射线的分布与通过FUGIN无线电观测绘制的星际气体分布图高度吻合。当高能质子与周围气体碰撞产生伽马射线时，预期就会出现这种联系。
第三，钱德拉仅探测到非常微弱的弥漫X射线辐射。如果是一个以加速电子为主的源，通常预期会产生更强的X射线信号，因此微弱的辐射进一步支持了质子的解释。
三组数据揭示同一个宇宙引擎
“这项研究成果是通过团队努力实现的。日本有一句古话：‘一支箭容易折断，但三支箭捆在一起就折不断’，’”Mizuno说。“在这项研究中，三支箭——Fermi-LAT GeV伽马射线数据、FUGIN无线电数据和钱德拉X射线数据——通过详细的多波长建模捆绑在一起，揭示了我们的目标LHAASO J1912+1014u是一个宇宙射线质子PeVatron。”
这项研究不仅确认了该源是PeVatron。研究人员还检查了被加速粒子的特性，这些信息可能有助于揭示是何种天体在驱动这一过程。
Mizuno表示，银河系中还有数十个其他可能的质子PeVatron。团队现在计划更全面地研究这些候选体，以确定其中有多少可以得到确认，以及是何种类型的宇宙天体产生了它们。
广岛大学的Naoto Nakahara；岐阜大学的Hidetoshi Sano和Takeru Murase；维尔茨堡大学的Tomohiko Oka；以及宫崎大学的Hiromasa Suzuki共同撰写了这篇论文。
费米LAT合作组织感谢以下机构提供的慷慨持续支持：美国国家航空航天局（NASA）和美国能源部（DOE）；法国原子能和替代能源委员会以及法国国家科学研究中心/国家核物理与粒子物理研究所；意大利航天局和意大利国家核物理研究所；日本文部科学省（MEXT）、高能加速器研究机构（KEK）和日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）；以及瑞典的K. A. Wallenberg基金会、瑞典研究委员会和瑞典国家航天局。同时感谢意大利国家天体物理研究所和法国国家空间研究中心提供的科学分析支持。
这项工作部分是在美国能源部（DOE）合同DE-AC02-76SF00515下完成的。这项工作还得到了日本国立天文台（NAOJ）的大学研究资助；日本学术振兴会（JSPS）科研费资助（23K25882, 23H04895, 22H00152, 24H00246, 24K17093）的部分支持。