中國(guó)西藏ASγ實(shí)驗(yàn):左圖,ASγ表面陣列;右圖,表面陣列的地下增設(shè)了創(chuàng)新型的地下水切論科夫繆子探測(cè)陣列(右圖)。中科院高能所 供圖
中新網(wǎng)北京3月2日電 (記者 孫自法)宇宙射線(即宇宙線)自1912年發(fā)現(xiàn)以來(lái),超高能宇宙線的起源問(wèn)題至今未解,堪稱世紀(jì)之謎,也一直備受學(xué)界關(guān)注。
國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)超百萬(wàn)億電子伏特伽馬射線來(lái)自于超新星遺跡
中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)3月2日對(duì)外宣布,中日合作團(tuán)隊(duì)最新利用中國(guó)西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)陣列(西藏ASγ實(shí)驗(yàn)),在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)距地球2600光年、編號(hào)為SNR G106.3+2.7的超新星遺跡發(fā)射出超過(guò)100TeV(100萬(wàn)億電子伏特)的伽馬射線。
西藏ASγ實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到超新星遺跡SNR G106.3+2.7附近10TeV以上的伽馬輻射圖像,伽馬能量延續(xù)到100TeV以上。中科院高能所 供圖
這些伽馬射線可能是被SNR G106.3+2.7中的激波,加速到比地球上人造加速器最高能量高100倍的PeV(拍電子伏特)的宇宙線(主要成份為質(zhì)子)與附近的分子云碰撞產(chǎn)生。因此,超新星遺跡SNR G106.3+2.7成為銀河系中一個(gè)超高能宇宙線加速候選天體——“拍電子伏特宇宙線加速器”(“PeVatron”),這也為解開超高能宇宙線的起源之謎打開了一個(gè)重要窗口。
西藏ASγ實(shí)驗(yàn)這項(xiàng)高能和天文領(lǐng)域的重磅發(fā)現(xiàn)及相關(guān)觀測(cè)結(jié)果的研究論文,北京時(shí)間當(dāng)天凌晨由國(guó)際專業(yè)學(xué)術(shù)期刊《自然·天文》在線發(fā)表。
判斷一個(gè)天體源是否為超高能宇宙線源主要有三條判據(jù)
中科院高能所介紹說(shuō),將宇宙線加速到PeV能量的天體源被稱為“PeVatron”,并被認(rèn)為應(yīng)該存在于銀河系中。但是,由于宇宙線帶電荷,它們?cè)趥鞑サ倪^(guò)程中會(huì)受到銀河系磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn),到達(dá)地球時(shí)的方向已經(jīng)不再指向源頭,因此無(wú)法通過(guò)宇宙線的方向來(lái)尋找“PeVatron”。
幸運(yùn)的是,宇宙線在其源頭被加速后可能與附近的分子云發(fā)生碰撞,產(chǎn)生中性π介子,隨后π介子衰變產(chǎn)生能量約為母體宇宙線能量十分之一的伽馬射線(這類伽馬射線被稱為“強(qiáng)子起源”)。由于伽馬射線不帶電荷,沿直線傳播,因此觀測(cè)到的伽馬射線到達(dá)方向就是該天體源方向,借此可以尋找“PeVatron”。
判斷一個(gè)天體源是否是宇宙線源“PeVatron”,主要有三條判據(jù):一是該天體源發(fā)出的伽馬射線能量超過(guò)100TeV;二是伽馬射線發(fā)射區(qū)與分子云的位置一致;三是能夠排除超高能伽馬射線產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性,即排除“輕子起源”。
此前,世界上還沒有任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)組找到同時(shí)滿足以上三個(gè)條件的天體。美國(guó)的VERITAS成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡在TeV能區(qū)和美國(guó)費(fèi)米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡在GeV能區(qū)都已觀測(cè)到來(lái)自于SNR G106.3+2.7的伽馬射線,但它們對(duì)100TeV以上能區(qū)的伽馬射線觀測(cè)靈敏度不夠。最近美國(guó)的HAWC實(shí)驗(yàn)在40TeV-100TeV能區(qū)觀測(cè)到伽馬射線,但其觀測(cè)到的100TeV伽馬射線輻射區(qū)位置精度較低,不足以排除伽馬射線的“輕子起源”。
西藏ASγ實(shí)驗(yàn)如何發(fā)現(xiàn)超高能宇宙線加速候選天體
海拔4300米的西藏ASγ實(shí)驗(yàn)始建于1989年,2014年,中日合作ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在原有宇宙線表面陣列地下,增設(shè)創(chuàng)新型的4500平方米地下繆子水切倫科夫探測(cè)器,用于探測(cè)宇宙線質(zhì)子與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。綜合利用表面和地下探測(cè)器陣列的數(shù)據(jù),可以排除99.92%的宇宙線背景噪聲,從而大大提高探測(cè)伽馬射線的靈敏度。
中科院高能所粒子天體中心研究員、西藏ASγ實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人黃晶表示,此次最新研究,中日合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)有效時(shí)間2年的觀測(cè),測(cè)量到來(lái)自SNR G106.3+2.7方向的超過(guò)100TeV的超高能伽馬射線,發(fā)現(xiàn)這些伽馬射線的空間分布與附近分子云的分布接近,而與這個(gè)區(qū)域內(nèi)存在的脈沖星及其風(fēng)云關(guān)聯(lián)較弱。
她認(rèn)為,對(duì)這些觀測(cè)結(jié)果的一個(gè)合理解釋,就是質(zhì)子在SNR G106.3+2.7附近被激波加速到PeV能區(qū),然后與附近的分子云碰撞產(chǎn)生中性π介子,隨后π介子衰變產(chǎn)生超高能伽馬射線。就這樣,SNR G106.3+2.7成為了銀河系中一個(gè)“PeVatron”候選體。
據(jù)了解,西藏ASγ實(shí)驗(yàn)由中科院高能所、中科院國(guó)家天文臺(tái)等國(guó)內(nèi)12個(gè)合作單位以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16個(gè)日方合作單位組成,此次重要發(fā)現(xiàn)是中日合作雙方30年持之以恒,不斷創(chuàng)新,不斷努力的結(jié)果。
中科院高能所透露,作為西藏ASγ實(shí)驗(yàn)的后續(xù)項(xiàng)目,中國(guó)正在四川稻城建設(shè)大面積高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO,中文俗稱“拉索”),其3/4陣列已經(jīng)建成并投入觀測(cè)運(yùn)行。和ASγ實(shí)驗(yàn)相比,LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上,有望將宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進(jìn)到一個(gè)新的高度。(完)
(源自中國(guó)新聞網(wǎng) 2021-03-02版 原地址:https://m.chinanews.com/wap/detail/chs/zw/9422238.shtml)
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