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【中国科学报】在海拔4300米追踪超高能宇宙线起源
西藏羊八井实验首次发现超百万亿电子伏特伽马射线
2021-03-03|文章来源:倪思洁 |【
 

  

  西藏羊八井ASgamma实验阵列    中科院高能所供图

  宇宙线自1912年被发现至今已100多年,然而,超高能宇宙线的起源问题至今未解,成为“世纪之谜”。

  近日,中日合作团队利用中国西藏羊八井ASgamma(ASγ)实验阵列,在国际上首次发现,距地球2600光年的超新星遗迹SNR G106.3+2.7发射出了超过100TeV(万亿电子伏特)的伽马射线。

  科学家推断,这些伽马射线可能是由PeV(又称拍电子伏特)能量级别的宇宙线与附近的分子云碰撞产生的,而宇宙线则是被该超新星遗迹的冲击波加速产生的。SNR G106.3+2.7由此成为银河系中一个可能的“拍电子伏特宇宙线加速器”(PeVatron),为解开超高能宇宙线的起源之谜打开重要窗口。相关观测结果3月2日发表于《自然—天文学》。

  难找的“加速器”

  PeV能量是一个至今靠人类力量无法企及的超高级别能量,它比地球上人造加速器的最高能量还高出100倍。

  一些科学家认为,银河系中存在“拍电子伏特宇宙线加速器”,即能够将宇宙线加速到PeV能量的天体源。但是,长期以来,这样的天体源并未被找到,超高能宇宙线的起源也成了世纪之谜。

  之所以难找,是因为宇宙线带电荷,它们在传播过程中会受到银河系磁场影响发生偏转,到达地球时的方向已经不再指向源头了,因此无法通过宇宙线的方向判断源头在哪儿。

  幸运的是,宇宙线(例如质子)在其源头附近能被超新星遗迹的激波加速到PeV能区,然后与附近的分子云碰撞,产生中性的派介子,寿命极短的派介子会迅速衰变产生能量约为母体宇宙线能量1/10的伽马射线。由于伽马射线不带电荷,沿直线传播,因此从地球上观测到的伽马射线到达方向就对应了该天体源方向。

  3条主要判据

  论文作者之一、中国科学院高能物理研究所(以下简称中科院高能所)研究员黄晶告诉《中国科学报》,科研人员之所以能够判断出该超新星遗迹是“拍电子伏特宇宙线加速器”,主要依赖3条判据,一是该天体源发出的伽马射线能量超过100TeV,二是伽马射线发射区与分子云的位置一致,三是能够排除超高能伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性。

  此前,世界上还没有任何一个实验组找到同时满足这3个条件的天体。

  实际上,这并非唯一观测到来自于这个超新星遗迹的伽马射线的实验。同样观测到的还有美国的VERITAS成像切伦科夫望远镜、费米伽马射线空间望远镜和HAWC实验。

  不过,黄晶表示,VERITAS成像切伦科夫望远镜、费米伽马射线空间望远镜对100TeV以上能区的伽马射线观测灵敏度不够,而HAWC实验观测到的100TeV伽马射线辐射区位置精度较低,不足以排除伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性。

  再灵敏点

  ASγ实验阵列位于海拔4300米的西藏羊八井,始建于1989年。

  2014年,中日合作团队在原有的宇宙线表面阵列的地下,增设了创新型的地下缪子水切伦科夫探测器,面积约4500平方米,用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。研究人员表示,综合利用表面和地下探测器阵列的数据,可以排除99.92%的宇宙线背景噪声,从而提高了探测伽马射线的灵敏度。

  黄晶介绍,此次合作团队通过有效时间2年的观测,测量到了来自SNR G106.3+2.7方向的超过100TeV的超高能伽马射线,发现这些伽马射线的空间分布与附近分子云的分布接近,而与这个区域内的脉冲星及其风云关联较弱。

  “对这些观测结果的一个合理解释是,质子在超新星遗迹附近被冲击波加速到PeV能区,然后与附近的分子云碰撞产生中性派介子,随后派介子衰变产生超高能伽马射线。这样,这个超新星遗迹就成为银河系中一个‘拍电子伏特宇宙线加速器’的候选体。”黄晶说。

  中科院高能所副所长卢方军告诉《中国科学报》,作为ASγ实验阵列的后续项目,中国正在四川稻城建设大面积高海拔宇宙线观测站(LHAASO),其3/4阵列已经建成并投入观测运行。和ASγ实验阵列相比,LHAASO的能量范围和灵敏度要高一个数量级以上,将把宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新高度。

  相关论文信息: https://dx.doi.org/10.1038/s41550-020-01294-9

  (源自《中国科学报》 2021-03-03 第1版 要闻 原地址:http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/3/361012.shtm)


 
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