國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，中文簡稱“拉索”）以11倍顯著性探測到著名的仙后座A超新星遺跡Cassiopeia A（Cas A），并首次觀測到其伽馬射線能譜在TeV處呈現(xiàn)獨特的鼓包結(jié)構(gòu),解釋了超新星遺跡激波加速產(chǎn)生宇宙線理論與前期TeV伽馬射線觀測的矛盾。該成果于2025年3月20日發(fā)表在《The Astrophysical Journal Letters》（天體物理學(xué)雜志通訊）。
仙后座A是銀河系內(nèi)最年輕的核塌縮型超新星遺跡之一，距離地球約11,000光年。它由一顆大質(zhì)量恒星在約350（如果考慮到光線傳播導(dǎo)致的時間延遲是約11000+350）年前爆發(fā)形成，是天文學(xué)家研究超新星爆發(fā)、粒子加速和宇宙線起源的天然"實驗室"。Cas A是最亮的射電天體之一，長期以來，一直是多波段天文觀測的焦點，但早期對其伽馬射線輻射能譜的測量表明其能加速的粒子的最高能量只有幾十TeV。這與自由膨脹階段末期超新星遺跡激波可以加速產(chǎn)生PeV宇宙線的理論預(yù)期相去甚遠(yuǎn)。
拉索團(tuán)隊通過對超過1100天的高質(zhì)量觀測數(shù)據(jù)（能量高于0.8 TeV）進(jìn)行了深入分析，首次發(fā)現(xiàn)Cas A的伽馬射線能譜在甚高能段（TeV以上）顯著變軟，且在1 TeV附近的流量約為傳統(tǒng)成像大氣切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（IACTs）測得值的兩倍。結(jié)合費米大面積望遠(yuǎn)鏡（Fermi-LAT）在0.1 GeV至1 TeV能段的觀測數(shù)據(jù)，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)Cas A的伽馬射線能譜在30 GeV以上與單一冪律分布存在顯著偏差，呈現(xiàn)出明顯的鼓包結(jié)構(gòu)（見圖1）。這個鼓包結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，說明Cas A的伽馬射線能譜存在精細(xì)結(jié)構(gòu)，并不能用之前簡單的存在高能截斷的冪律譜強(qiáng)子模型解釋。LHAASO揭示的鼓包結(jié)構(gòu)，可以解釋為來自前行激波加速電子的逆康普頓過程（如圖2），這樣雖然被加速電子的最大能量由于受輻射能損的影響只有幾個TeV，但是被加速原子核的能量可以很高，甚至達(dá)到拍電子伏。預(yù)期隨著觀測數(shù)據(jù)的積累，Cas A在10TeV以上能段也可以被LHAASO探測到。這些結(jié)果為完善超新星遺跡伽馬射線輻射能譜演化的統(tǒng)一模型提供了重要依據(jù)。
該研究工作由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的拉索國際合作組完成，高能所的李會財副研究員，南京師范大學(xué)的張瀟副教授，高能所博士后胡世聰，西南交通大學(xué)劉四明教授以及山東大學(xué)博士生王冉，作為共同通訊作者。
在線文章網(wǎng)址：https://doi.org/10.3847/2041-8213/adb97c
圖 1：Cas A 的寬能段伽馬射線光譜
圖 2：Cas A 的多波段光譜觀測和模型解釋
附件下載：
