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    科學家首次發現PeV能量宇宙線源存在于銀河系的證據

    2021-04-02 高能物理研究所
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    [video:20210403西藏羊八井中日合作實驗:發現銀河系超高能宇宙線源存在的證據]

      近日,中日合作西藏ASγ實驗觀測到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射,最高能量達957TeV,接近1PeV(拍電子伏特,1000萬億電子伏特);這些超高能伽馬射線的方向并沒有指向已知的低能段伽馬射線源,而是彌漫分布在銀盤(銀河系在天空的投影)上。這是國際上首次發現“拍電子伏特宇宙線加速器”(PeVatron)在銀河系中存在的證據。相關觀測結果將于4月5日在《物理評論快報》(PRL)正式發表,并被作為高亮點論文加以推薦。該結果被美國物理學會評論為研究高能宇宙線起源“世紀之謎”的里程碑。

      高能宇宙線起源是一個世紀未解之謎,被美國國家研究委員會列為21世紀11個最前沿的科學問題之一。宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流,主要由質子和其他原子核組成。通常低于幾個PeV能量的宇宙線被認為主要產生于銀河系內,而能將宇宙線加速到PeV能量的天體也被稱為PeVatron。根據理論模型,超新星遺跡、恒星形成區和銀河系中心的超大質量黑洞等是候選的PeVatrons,但迄今為止并沒有任何一個PeVatron得到觀測證實,其主要困難在于帶電的高能宇宙線粒子在銀河系傳播的過程中其運動方向會被磁場偏轉,無法通過直接探測搜尋其源頭方向。

      高能宇宙線在傳播過程中與星際介質碰撞可以產生能量約為宇宙線母粒子能量十分之一的高能伽馬射線,被稱為是“強子起源”的伽馬射線;高能伽馬射線不帶電,沿直線傳播。這次ASγ實驗在銀盤上發現超高能彌散伽馬射線,其能譜特征與PeV能量宇宙線和銀河系分子云碰撞產生伽馬射線的模型預言相符,就像是PeVatron在銀河系內留下的一串串“足跡”,是PeVatron存在于銀河系的重要證據。

      今年3月2日,西藏ASγ實驗發布了另一個相關的重要研究成果,首次發現超新星遺跡SNR G106.3+2.7方向存在超過100TeV(100萬億電子伏特)的伽馬射線。這些伽馬射線的能量(大于100TeV)及空間分布特征表明,SNR G106.3+2.7是目前為止在銀河系中發現的最可能的PeVatron候選天體。相關觀測結果在《自然-天文》(Nature Astronomy)正式發表。

      綜合起來,ASγ實驗的這兩項重要結果,分別從PeVatron的候選天體和超高能彌散伽馬射線在銀河系內的空間分布結果表明PeV宇宙線加速器在銀河系內存在,是朝著解開高能宇宙線起源的世紀之謎邁出的重要一步。

      西藏ASγ實驗位于海拔4300米的西藏羊八井鎮。2014年,ASγ實驗團隊在現有65000平方米宇宙線表面陣列下面,增設了有效面積3400平方米的創新型的地下繆子水切倫科夫探測陣列,用于探測宇宙線質子與地球大氣作用產生的繆子。在本項工作中,ASγ實驗組綜合利用地面和地下探測器陣列的數據,將100TeV以上的宇宙線背景噪聲壓低到百萬分之一,從而極大地提高了伽馬射線探測的靈敏度。這是ASγ實驗近年來取得系列重大發現的關鍵技術基礎。

      ASγ實驗組由中科院高能物理研究所、國家天文臺等國內12個合作單位以及日本東京大學宇宙線研究所等16個日方合作單位組成。此次重要發現是中日合作雙方 30 年持之以恒、不斷創新、不斷努力的結果。該項目得到我國科學技術部、國家自然科學基金委員會、中科院及日本文部省、學術振興會(JSPS)等機構的支持。實驗裝置在西藏30年的建設與運行得到西藏自治區各級政府及西藏大學的大力支持。

      論文鏈接

      西藏ASγ實驗團隊觀測到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標系下的分布。這些超高能彌散伽馬射線的能量在400TeV到1PeV之間,表現出向銀盤(圖中水平中線)集中分布的特點?;疑幱皡^域是ASγ實驗無法觀測的區域。背景色輪廓顯示了銀河系坐標中氫原子的分布。

    我國西藏羊八井ASγ實驗(左圖:ASγ表面陣列;右圖:地下水切倫科夫探測器)

    打印 責任編輯:程博

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