近日，中日合作西藏ASγ實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，最高能量達(dá)957TeV,接近1PeV（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(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)拍電子伏特宇宙線加速器（“PeVatron”）在銀河系中存在的證據(jù)。該結(jié)果被美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）評(píng)論為研究高能宇宙線起源“世紀(jì)之謎”的里程碑。
圖1: 西藏ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標(biāo)系下的分布。這些超高能彌散伽馬射線的能量在 400 TeV到 1 PeV 之間，表現(xiàn)出向銀盤（圖中水平中線）集中分布的特點(diǎn)?；疑幱皡^(qū)域是ASγ實(shí)驗(yàn)無法觀測(cè)的區(qū)域。背景色輪廓顯示了銀河系坐標(biāo)中氫原子的分布（來源：https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/foreground/fg_hi4pi_get.cfm)。
高能宇宙線起源是一個(gè)世紀(jì)未解之謎，被美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)列為21世紀(jì)11個(gè)最前沿的科學(xué)問題之一。宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，主要由質(zhì)子和其他原子核組成。通常低于幾個(gè)PeV能量的宇宙線被認(rèn)為主要產(chǎn)生于銀河系內(nèi)，而能將宇宙線加速到PeV能量的天體也被稱為是“拍電子伏特宇宙線加速器”。根據(jù)理論模型，超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等是候選的“PeVatrons”，但迄今為止并沒有任何一個(gè)“PeVatrons”得到觀測(cè)證實(shí)，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(yùn)動(dòng)方向會(huì)被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，無法通過直接探測(cè)搜尋其源頭方向。
圖2： 我國(guó)西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)（左圖：ASγ表面陣列；右圖：地下水切倫科夫探測(cè)器）
高能宇宙線在傳播過程中與星際介質(zhì)碰撞可以產(chǎn)生能量約為宇宙線母粒子能量十分之一的高能伽馬射線；高能伽馬射線不帶電，沿直線傳播。這次ASγ實(shí)驗(yàn)在銀盤上發(fā)現(xiàn)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(chǎn)生伽馬射線的模型預(yù)言相符，就像是“PeVatron”在銀河系內(nèi)留下的一串串“足跡”，是“PeVatron”存在于銀河系的重要證據(jù)。
今年3月2日，西藏ASγ實(shí)驗(yàn)發(fā)布了另一個(gè)相關(guān)的重要研究成果，首次發(fā)現(xiàn)超新星遺跡SNR G106.3+2.7方向存在超過100TeV的伽馬射線。這些伽馬射線的能量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(fā)現(xiàn)的最可能的“PeVatron”候選天體。相關(guān)觀測(cè)結(jié)果在《自然天文》正式發(fā)表。
ASγ實(shí)驗(yàn)組由中科院高能物理研究所、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。在本項(xiàng)工作中，ASγ實(shí)驗(yàn)組綜合利用地面和地下探測(cè)器陣列的數(shù)據(jù)，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(cè)的靈敏度。這是ASγ實(shí)驗(yàn)近年來取得系列重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
綜合起來，ASγ實(shí)驗(yàn)的這兩項(xiàng)重要結(jié)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(nèi)的空間分布結(jié)果表明PeV宇宙線加速器在銀河系內(nèi)存在，是朝著解開高能宇宙線起源的世紀(jì)之謎邁出的重要一步。
來源：央視新聞客戶端 發(fā)布時(shí)間：2021/4/2 16:40:32
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