西藏羊八井实验发现超高能宇宙线加速候选天体

宇宙线自1912年被发现至今已100多年,然而,超高能宇宙线的起源问题至今未解,成为“世纪之谜”(www.Linong.net)。

近日,中日合作团队利用我国西藏羊八井ASgamma(ASγ)实验阵列,在国际上首次发现,距地球2600光年的超新星遗迹 SNR G106.3+2.7发射出了超过100TeV(万亿电子伏特)的伽马射线。

科学家推断,这些伽马射线可能是由PeV(又称拍电子伏特,千万亿电子伏特)能量级别的宇宙线与附近的分子云碰撞产生的,而宇宙线则是被该超新星遗迹的冲击波加速产生的。SNR G106.3+2.7由此成为银河系中一个可能的“拍电子伏特宇宙线加速器”(PeVatron),为解开超高能宇宙线的起源之谜打开重要窗口。相关观测结果3月2日发表于《自然—天文学》。

我国西藏ASγ实验表面阵列(中科院高能所供图)

难寻的超高能宇宙线加速器

“PeV”是一个至今靠人类力量无法企及的超高能量,它比地球上人造加速器的最高能量还要高出100倍。

自然的力量远远超乎人类,一些科学家们认为,银河系中存在拍电子伏特宇宙线加速器,即能够将宇宙射线加速到PeV能量的天体源。但是,长期以来,这样的天体源并未被找到,超高能宇宙线的起源也成了世纪之谜。

之所以难找,是因为宇宙线带电荷,它们在传播的过程中会受到银河系磁场的偏转,到达地球时的方向已经不再指向源头了,因此无法通过宇宙线的方向来判断源头在哪。

幸运的是,宇宙线(例如质子)在其源头附近被超新星遗迹的激波加速到PeV能区,然后与附近的分子云碰撞,产生中性的派介子,寿命极短的派介子会迅速衰变产生能量约为母体宇宙线能量十分之一的伽马射线。由于伽马射线不带电荷,沿直线传播,因此,从地球上观测到的伽马射线到达方向就对应了该天体源方向。

三条主要判据

论文作者之一、中国科学院高能物理研究所(以下简称中科院高能所)研究员黄晶告诉《中国科学报》,科研人员之所以能够判断出该超新星遗迹是拍电子伏特宇宙线加速器,主要依赖三条判据,一是该天体源发出的伽马射线能量超过100 TeV;二是伽马射线发射区与分子云的位置一致;三是能够排除超高能伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性。

此前,世界上还没有任何一个实验组找到同时满足这三个条件的天体。

羊八井ASγ实验并非唯一一个观测到来自于这个超新星遗迹的伽马射线的实验。同样观测到的还有美国的VERITAS成像切伦科夫望远镜、美国费米伽马射线空间望远镜、美国的HAWC实验。

不过,黄晶表示,美国的VERITAS成像切伦科夫望远镜、费米伽马射线空间望远镜对100TeV以上能区的伽马射线观测灵敏度不够,而HAWC实验观测到的100TeV伽马射线辐射区位置精度较低,不足以排除伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性。

灵敏度高点高点再高点

西藏中日合作ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井,始建于1989年。

2014年,中日合作ASγ实验团队在原有的宇宙线表面阵列的地下,增设了创新型的地下缪子水切伦科夫探测器,面积约4500平方米,用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。综合利用表面和地下探测器阵列的数据,可以排除99.92%的宇宙线背景噪声,从而提高了探测伽马射线的灵敏度。

地下缪子水切伦科夫探测器(中科院高能所供图)

黄晶介绍,此次,中日合作团队通过有效时间2年的观测,测量到了来自SNR G106.3+2.7方向的超过100TeV的超高能伽马射线,发现这些伽马射线的空间分布与附近分子云的分布接近,而与这个区域内存在的脉冲星及其风云关联较弱。

“对这些观测结果的一个合理解释是:质子在超新星遗迹附近被冲击波加速到PeV能区,然后与附近的分子云碰撞产生中性派介子,随后派介子衰变产生超高能伽马射线。这样,这个超新星遗迹就成为银河系中一个拍电子伏特宇宙线加速器的候选体。”黄晶说。

中科院高能所副所长卢方军告诉《中国科学报》,作为西藏羊八井ASγ实验的后续项目,我国正在四川稻城建设大面积高海拔宇宙线观测站(LHAASO),其四分之三阵列已经建成并投入观测运行。和ASγ实验相比,LHAASO的能量范围和灵敏度要高一个数量级以上,将把宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新的高度。(倪思洁)

相关论文信息: https://dx.doi.org/10.1038/s41550-020-01294-9

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