科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)超高能宇宙線源存在于銀河系的證據(jù)

近日，中日合作西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)觀測到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，最高能量達(dá) 957 TeV, 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)果被美國物理學(xué)會(huì)（APS）評論為研究高能宇宙線起源“世紀(jì)之迷”的里程碑。

△西藏ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)觀測到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標(biāo)系下的分布

高能宇宙線起源是一個(gè)世紀(jì)未解之謎，被美國國家研究委員會(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)被磁場偏轉(zhuǎn)，無法通過直接探測搜尋其源頭方向。

△我國西藏羊八井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、中科院國家天文臺等國內(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。 （總臺央視記者 帥俊全）