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西藏ASγ实验发现超高能宇宙线加速候选天体

来源:光明网2021-03-02 13:20

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  光明网讯(记者 张梦凡)3月2日,记者从中科院高能物理所了解到,中日合作团队利用我国西藏羊八井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 发射出超过100TeV(100万亿电子伏特)的伽马射线。这些伽马射线可能是被SNR G106.3+2.7中的激波加速到PeV的宇宙射线与附近的分子云碰撞产生的。

  该超新星遗迹成为银河系中的一个候选“拍电子伏特宇宙线加速器”,为解开超高能宇宙射线的起源之谜打开了重要窗口。北京时间今天(3月2日)零时,相关观测结果在顶级学术期刊《自然天文》发表。

  据中科院高能所介绍,自1912年发现宇宙射线以来,超高能宇宙线的起源问题至今未解,是一个世纪之谜。将宇宙射线加速到PeV(比地球上人造加速器的最高能量高100倍)能量的天体源被称为“PeVatron”,并被认为应该存在于银河系中。但是,由于宇宙射线带电荷,它们在传播的过程中会受到银河系磁场的偏转,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来寻找“PeVatron”。

  幸运的是,宇宙射线在其源头被加速后可能与附近的分子云发生碰撞,产生中性π介子,随后π介子衰变产生能量约为母体宇宙射线能量十分之一的伽马射线(这类伽马射线被称为是“强子起源”)。由于伽马射线不带电荷,沿直线传播,因此观测到的伽马射线到达方向就是该天体源方向,借此可以寻找 “PeVatron”。

  判断一个天体源是否是宇宙线源“PeVatron”,主要有三条判据: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,即排除“轻子起源”。

  此前,世界上还没有任何一个实验组找到同时满足以上三个条件的天体。美国的VERITAS成像切伦科夫望远镜在TeV能区和美国费米伽马射线空间望远镜在GeV能区都已观测到来自于SNR G106.3+2.7 的伽马射线,但它们对100TeV以上能区的伽马射线观测灵敏度不够。最近美国的HAWC实验在40TeV-100TeV能区观测到伽马射线,但其观测到的100TeV伽马射线辐射区位置精度较低,不足以排除伽马射线的“轻子起源”(见图1)。

西藏ASγ实验发现超高能宇宙线加速候选天体

  图1. 西藏ASγ实验观测到超新星遗迹(SNR) G106.3+2.7附近10TeV以上的伽马辐射图像,伽马能量延续到100 TeV以上。

  中科院高能所粒子天体中心研究员、西藏ASγ实验负责人黄晶表示,海拔4300米的西藏ASγ实验始建于1989年,2014年,中日合作ASγ实验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(4500 m2),用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。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,从而大大提高了探测伽马射线的灵敏度。

  中日合作团队通过有效时间2年的观测,测量到来自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,而与这个区域内存在的脉冲星及其风云关联较弱。

西藏ASγ实验发现超高能宇宙线加速候选天体

  左图:我国西藏ASγ实验表面阵列。右图:中日合作ASγ实验团队在地下增设探测阵列,大大提高了探测伽马射线的灵敏度。

  据了解,西藏中日合作ASγ实验由中科院高能物理研究所,中科院国家天文台等国内12个合作单位以及日本东京大学宇宙线研究所等16个日方合作单位组成。此次重要发现是中日合作双方 30 年持之以恒,不断创新,不断努力的结果。该项目得到中国国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院及日本文部省、学术振兴会(JSPS)等机构的支持。

  作为西藏羊八井ASγ实验的后续项目,我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的高度。

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

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