西藏羊八井ASgamma實驗陣列 中科院高能所供圖
宇宙線自1912年被發(fā)現(xiàn)至今已100多年，然而，超高能宇宙線的起源問題至今未解，成為“世紀(jì)之謎”。
近日，中日合作團隊利用中國西藏羊八井ASgamma（ASγ）實驗陣列，在國際上首次發(fā)現(xiàn)，距地球2600光年的超新星遺跡SNR G106.3+2.7發(fā)射出了超過100TeV（萬億電子伏特）的伽馬射線。
科學(xué)家推斷，這些伽馬射線可能是由PeV（又稱拍電子伏特）能量級別的宇宙線與附近的分子云碰撞產(chǎn)生的，而宇宙線則是被該超新星遺跡的沖擊波加速產(chǎn)生的。SNR G106.3+2.7由此成為銀河系中一個可能的“拍電子伏特宇宙線加速器”（PeVatron），為解開超高能宇宙線的起源之謎打開重要窗口。相關(guān)觀測結(jié)果3月2日發(fā)表于《自然—天文學(xué)》。
難找的“加速器”
PeV能量是一個至今靠人類力量無法企及的超高級別能量，它比地球上人造加速器的最高能量還高出100倍。
一些科學(xué)家認(rèn)為，銀河系中存在“拍電子伏特宇宙線加速器”，即能夠?qū)⒂钪婢€加速到PeV能量的天體源。但是，長期以來，這樣的天體源并未被找到，超高能宇宙線的起源也成了世紀(jì)之謎。
之所以難找，是因為宇宙線帶電荷，它們在傳播過程中會受到銀河系磁場影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，到達地球時的方向已經(jīng)不再指向源頭了，因此無法通過宇宙線的方向判斷源頭在哪兒。
幸運的是，宇宙線（例如質(zhì)子）在其源頭附近能被超新星遺跡的激波加速到PeV能區(qū)，然后與附近的分子云碰撞，產(chǎn)生中性的派介子，壽命極短的派介子會迅速衰變產(chǎn)生能量約為母體宇宙線能量1/10的伽馬射線。由于伽馬射線不帶電荷，沿直線傳播，因此從地球上觀測到的伽馬射線到達方向就對應(yīng)了該天體源方向。
3條主要判據(jù)
論文作者之一、中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）研究員黃晶告訴《中國科學(xué)報》，科研人員之所以能夠判斷出該超新星遺跡是“拍電子伏特宇宙線加速器”，主要依賴3條判據(jù)，一是該天體源發(fā)出的伽馬射線能量超過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。
此前，世界上還沒有任何一個實驗組找到同時滿足這3個條件的天體。
實際上，這并非唯一觀測到來自于這個超新星遺跡的伽馬射線的實驗。同樣觀測到的還有美國的VERITAS成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡、費米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡和HAWC實驗。
不過，黃晶表示，VERITAS成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡、費米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡對100TeV以上能區(qū)的伽馬射線觀測靈敏度不夠，而HAWC實驗觀測到的100TeV伽馬射線輻射區(qū)位置精度較低，不足以排除伽馬射線產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性。
再靈敏點
ASγ實驗陣列位于海拔4300米的西藏羊八井，始建于1989年。
2014年，中日合作團隊在原有的宇宙線表面陣列的地下，增設(shè)了創(chuàng)新型的地下繆子水切倫科夫探測器，面積約4500平方米，用于探測宇宙線質(zhì)子與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。研究人員表示，綜合利用表面和地下探測器陣列的數(shù)據(jù)，可以排除99.92%的宇宙線背景噪聲，從而提高了探測伽馬射線的靈敏度。
黃晶介紹，此次合作團隊通過有效時間2年的觀測，測量到了來自SNR G106.3+2.7方向的超過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，而與這個區(qū)域內(nèi)的脈沖星及其風(fēng)云關(guān)聯(lián)較弱。
“對這些觀測結(jié)果的一個合理解釋是，質(zhì)子在超新星遺跡附近被沖擊波加速到PeV能區(qū)，然后與附近的分子云碰撞產(chǎn)生中性派介子，隨后派介子衰變產(chǎn)生超高能伽馬射線。這樣，這個超新星遺跡就成為銀河系中一個‘拍電子伏特宇宙線加速器’的候選體?！秉S晶說。
中科院高能所副所長盧方軍告訴《中國科學(xué)報》，作為ASγ實驗陣列的后續(xù)項目，中國正在四川稻城建設(shè)大面積高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），其3/4陣列已經(jīng)建成并投入觀測運行。和ASγ實驗陣列相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個數(shù)量級以上，將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進到一個新高度。
相關(guān)論文信息: https://dx.doi.org/10.1038/s41550-020-01294-9
?。ㄔ醋浴吨袊茖W(xué)報》 2021-03-03 第1版 要聞 原地址：http://news.sciencenet.cn/sbhtmlnews/2021/3/361012.shtm)
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