宇宙射線(即宇宙線)自1912年發(fā)現(xiàn)以來，超高能宇宙線的起源問題至今未解，堪稱世紀之謎，也一直備受學界關(guān)注。

國際上首次發(fā)現(xiàn)超百萬億電子伏特伽馬射線來自于超新星遺跡

中國科學院高能物理研究所(中科院高能所)3月2日對外宣布，中日合作團隊最新利用中國西藏羊八井ASγ實驗陣列(西藏ASγ實驗)，在國際上首次發(fā)現(xiàn)距地球2600光年、編號為SNR G106.3+2.7的超新星遺跡發(fā)射出超過100TeV(100萬億電子伏特)的伽馬射線。

這些伽馬射線可能是被SNR G106.3+2.7中的激波，加速到比地球上人造加速器最高能量高100倍的PeV(拍電子伏特)的宇宙線(主要成份為質(zhì)子)與附近的分子云碰撞產(chǎn)生。因此，超新星遺跡SNR G106.3+2.7成為銀河系中一個超高能宇宙線加速候選天體——“拍電子伏特宇宙線加速器”(“PeVatron”)，這也為解開超高能宇宙線的起源之謎打開了一個重要窗口。

西藏ASγ實驗這項高能和天文領(lǐng)域的重磅發(fā)現(xiàn)及相關(guān)觀測結(jié)果的研究論文，北京時間當天凌晨由國際專業(yè)學術(shù)期刊《自然·天文》在線發(fā)表。

判斷一個天體源是否為超高能宇宙線源主要有三條判據(jù)

中科院高能所介紹說，將宇宙線加速到PeV能量的天體源被稱為“PeVatron”，并被認為應該存在于銀河系中。但是，由于宇宙線帶電荷，它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的偏轉(zhuǎn)，到達地球時的方向已經(jīng)不再指向源頭，因此無法通過宇宙線的方向來尋找“PeVatron”。

幸運的是，宇宙線在其源頭被加速后可能與附近的分子云發(fā)生碰撞，產(chǎn)生中性π介子，隨后π介子衰變產(chǎn)生能量約為母體宇宙線能量十分之一的伽馬射線(這類伽馬射線被稱為“強子起源”)。由于伽馬射線不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測到的伽馬射線到達方向就是該天體源方向，借此可以尋找“PeVatron”。

判斷一個天體源是否是宇宙線源“PeVatron”，主要有三條判據(jù)：一是該天體源發(fā)出的伽馬射線能量超過100TeV;二是伽馬射線發(fā)射區(qū)與分子云的位置一致;三是能夠排除超高能伽馬射線產(chǎn)生于脈沖星及其風云高能電子的可能性，即排除“輕子起源”。

此前，世界上還沒有任何一個實驗組找到同時滿足以上三個條件的天體。美國的VERITAS成像切倫科夫望遠鏡在TeV能區(qū)和美國費米伽馬射線空間望遠鏡在GeV能區(qū)都已觀測到來自于SNR G106.3+2.7的伽馬射線，但它們對100TeV以上能區(qū)的伽馬射線觀測靈敏度不夠。最近美國的HAWC實驗在40TeV-100TeV能區(qū)觀測到伽馬射線，但其觀測到的100TeV伽馬射線輻射區(qū)位置精度較低，不足以排除伽馬射線的“輕子起源”。

西藏ASγ實驗如何發(fā)現(xiàn)超高能宇宙線加速候選天體

海拔4300米的西藏ASγ實驗始建于1989年，2014年，中日合作ASγ實驗團隊在原有宇宙線表面陣列地下，增設創(chuàng)新型的4500平方米地下繆子水切倫科夫探測器，用于探測宇宙線質(zhì)子與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。綜合利用表面和地下探測器陣列的數(shù)據(jù)，可以排除99.92%的宇宙線背景噪聲，從而大大提高探測伽馬射線的靈敏度。

中科院高能所粒子天體中心研究員、西藏ASγ實驗負責人黃晶表示，此次最新研究，中日合作團隊通過有效時間2年的觀測，測量到來自SNR G106.3+2.7方向的超過100TeV的超高能伽馬射線，發(fā)現(xiàn)這些伽馬射線的空間分布與附近分子云的分布接近，而與這個區(qū)域內(nèi)存在的脈沖星及其風云關(guān)聯(lián)較弱。

她認為，對這些觀測結(jié)果的一個合理解釋，就是質(zhì)子在SNR G106.3+2.7附近被激波加速到PeV能區(qū)，然后與附近的分子云碰撞產(chǎn)生中性π介子，隨后π介子衰變產(chǎn)生超高能伽馬射線。就這樣，SNR G106.3+2.7成為了銀河系中一個“PeVatron”候選體。

據(jù)了解，西藏ASγ實驗由中科院高能所、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宇宙線研究所等16個日方合作單位組成，此次重要發(fā)現(xiàn)是中日合作雙方30年持之以恒，不斷創(chuàng)新，不斷努力的結(jié)果。

中科院高能所透露，作為西藏ASγ實驗的后續(xù)項目，中國正在四川稻城建設大面積高海拔宇宙線觀測站(LHAASO，中文俗稱“拉索”)，其3/4陣列已經(jīng)建成并投入觀測運行。和ASγ實驗相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個數(shù)量級以上，有望將宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進到一個新的高度。(記者 孫自法)

關(guān)鍵詞： 超高能宇宙線加速候選天體