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實驗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（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實驗團隊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世紀(jì)未解之謎，被美國國家研究委員會列為21世紀(jì)11個最前沿的科學(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 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“PeVatrons”得到觀測證實，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動方向會被磁場偏轉(zhuǎn)，無法通過直接探測搜尋其源頭方向。

△我國西藏羊八井ASγ實驗（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實驗在銀盤上發(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實驗發(fā)布了另一個相關(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實驗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個合作單位以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16個日方合作單位組成。在本項工作中，ASγ實驗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實驗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實驗的這兩項重要結(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）