粒子天体物理重点实验室聚焦于粒子天体物理这一天文学前沿领域，主要围绕三大研究方向展开探索：

一、宇宙线起源

宇宙线是来自宇宙空间的高能带电粒子，由奥地利物理学家赫斯于1912年在气球飞行实验中发现。迄今为止，人们观测到的宇宙线粒子最高能量超过3×10^20 eV。宇宙线起源于什么天体？它们是如何被加速到极高能量的？这些问题是粒子天体物理领域百年来的重大科学问题，被称为“世纪之谜”，被美国国家研究委员会列入“21 世纪的11 个基本（天文和物理）科学问题”之一，2012年被《Science》列入八大天文学之谜。

超高能宇宙加速器是超高能宇宙线的源头，是超强磁场、超密物质形态、超强引力环境等极端物理条件下的天体物理实验室，是检验极端条件下物理规律的理想场所；超高能伽马射线观测是探索超高能粒子加速、超高能辐射机制的关键手段，是当前探寻超高能宇宙线起源与加速机制最有希望取得突破的途径。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）是该领域内国际领先的支柱性大科学装置，在建设期间就取得了突破性发现，揭示了银河系内广泛存在拍电子伏加速器（PeVatron）甚至超级拍电子伏加速器（super-PeVatron），提供了逼近宇宙线起源这一重大基础性问题的重要线索。本国重将基于LHAASO 的长期观测，并协同利用“大型阵列切伦科夫望远镜”（LACT）、高能中微子望远镜（HUNT）、中国空间站旗舰级设备“高能宇宙辐射探测”（HERD）、慧眼卫星（HXMT）、“增强型X射线时变与偏振空间天文台”（eXTP，简称慧眼二号）、“阿里原初引力波望远镜一号”（AliCPT-1）的多波段观测数据，探测并深入研究超高能宇宙加速器的原理和物理特性，在超高能宇宙线起源问题上取得突破性进展，引领该领域的发展。

二、黑洞与中子星的极端引力、密度和磁场

近年来，围绕黑洞和中子星的多信使多波段时域天文学取得了一系列突破性进展：引力波的发现获得了2017年度诺贝尔物理学奖，对双中子星并合引力波事件GW170817电磁对应体的探测被评为2017年度十大科学突破，银河系中心大质量黑洞的研究获得2020年度诺贝尔奖，发现快速射电暴FRB 200428起源于银河系内的磁陀星被评为2020年度十大科学突破。美国的Astro2020计划将时域天体物理项目列为所有空间项目中优先级最高的持续活动。

本实验室领导研制的慧眼二号eXTP正是针对如上重大科学问题而提出的国际旗舰型X射线空间天文台，吸引了欧洲X射线天文界主要国家（意大利、德国、西班牙、瑞士、法国、英国、荷兰、丹麦等）的积极参加并且提供大约一半有效载荷。本国重将在继续充分利用慧眼卫星特色优势的基础上，研制eXTP作为未来国际领先的主要观测设备，综合利用HERD、LHAASO、LACT、AliCPT等的多波段、多参数观测能力，对于黑洞和中子星等致密天体，包括X射线双星、孤立脉冲星和磁陀星以及活动星系核等，开展时变、能谱和偏振的高精度联合测量，在黑洞的基本性质、中子星内部的状态方程、强磁场中的粒子加速和辐射等方面产生一批突破性成果。

三、原初引力波和宇宙膨胀

大爆炸理论和粒子物理标准模型的结合，诞生了标准宇宙学模型，这方面研究获得了2019年诺贝尔物理奖。标准宇宙学模型认为极早期宇宙曾处于接近指数膨胀的暴胀状态，而此时的原初扰动是后来宇宙中形成星系、星系团大尺度结构的原因。暴胀期间产生的原初引力波被认为是探测早期宇宙的最有效手段。实验室正在西藏阿里地区海拔5250米的台站建设原初引力波望远镜AliCPT-1，目标是在原初引力波探测方面取得与我国大国地位相匹配的重大突破。

精确测量天体的距离并从而建立距离-红移关系是现代宇宙学的核心基础之一。近年来，随着观测精度的提高，造父变星和Ia型超新星等本地的“标准烛光”工具测量的哈勃常数与宇宙微波背景辐射测量的早期宇宙的哈勃常数出现了显著差异（~5σ），被称为“哈勃常数危机”。这一危机预示着目前测量存在未知的系统误差，或者需要修正标准宇宙学模型。

为解决哈勃常数危机，迫切需要创新的、独立的距离测量方法。2020年，本实验室率先提出利用类星体，结合光谱定位（SA）和反响映射（RM）实现几何测量宇宙学距离的新方法（简称SARM），并成功测量了类星体3C 273的距离，精度达到16%。与传统的距离测量工具相比，SARM方法不依赖于复杂的消光、红化改正和距离阶梯的定标，并且可重复测量来确定系统误差。在SARM合作中，本实验室将利用国际望远镜（2-4米）的资源，获得二百个左右类星体距离的精确几何测量，进而确定哈勃常数并研究宇宙膨胀历史。