超高能宇宙射线起源世纪之谜现破解曙光:西藏ASγ实验发现宇宙PeVatron候选天体

▲我国西藏ASγ实验(左图:ASγ表面阵列)(www.hunc.cn)。2014年,中日合作ASγ实验团队在其表面阵列的地下增设了创新型的地下水切论科夫缪子探测阵列4500 m2(右图)。

3月2日凌晨零时,国际知名学术期刊《自然-天文》发表了中日合作团队利用我国西藏羊八井ASγ实验阵列获得的一个重要发现: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所发射出的超过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(拍电子伏特)的宇宙射线(主要成份为质子)与附近的分子云碰撞产生的。SNR G106.3+2.7因此成为银河系中一个候选的“拍电子伏特宇宙线加速器”(PeVatron),这为解开超高能宇宙射线的起源之谜打开了重要窗口。

自1912年宇宙射线发现以来,超高能宇宙线的起源问题至今未解,已成为一个世纪之谜。将宇宙射线加速到PeV能量的天体源被称为“PeVatron”,这一能量比地球上人造加速器的最高能量要高出100倍。

宇宙学家认为,这种天体应该就存在于银河系中。但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,待它们到达地球时,其方向早已不再指向源头,因此人类无法通过宇宙线的到达方向来寻找PeVatron。

幸运的是,在其“出生地”被加速后,宇宙射线可能与附近的分子云发生碰撞,从而产生中性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,因此观测到伽马射线的到达方向,就是该天体源方向,科学家借此可以寻找到PeVatron所在地。

据介绍,判断一个天体源是否是宇宙线PeVatron,主要有三条判据:该天体源发出的伽马射线能量超过100TeV;伽马射线发射区与分子云的位置一致;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。西藏中日合作ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井,始建于1989年。2014年,中日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——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。

▲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。图中,黑/青色轮廓分别代表了SNR 壳层和附近分子云的位置,灰色菱形是脉冲星的位置,带有统计误差圆的红星、黑×、品红色十字和蓝色三角形分别表示西藏ASγ实验、美国费米伽马射线空间望远镜组、美国VERITAS切伦科夫望远镜组和美国HAWC实验组确定的伽马射线发射区的中心位置。

此次,中日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,而与这个区域内存在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SNR G106.3+2.7附近被激波加速到PeV能区,然后与附近的分子云碰撞产生中性π介子,随后π介子衰变产生超高能伽马射线。这样,G106.3+2.7就成为银河系中一个PeVatron候选体,为解开超高能宇宙线起源的世纪之谜打开了一个宝贵的窗口。

>>>延伸阅读

西藏中日合作ASγ实验始建于1989年,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。

实验在西藏30年的建设与运行得到了西藏自治区各级政府及西藏大学的大力支持。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。

作者:许琦敏

责任编辑:任荃

图片来源:中日合作研究组提供

*文汇独家稿件,转载请注明出处。

主营产品:卡特c7/c9/c-9机油阀,奔驰再制造德尔福压电陶瓷喷油器,康明斯M11/N14 计量柱塞,C7 C9 电磁阀,卡特促动泵单向阀,泄压阀