破解高能宇宙線起源之謎，科學家取得里程碑式突破!

4月2日，記者從中國科學院高能物理研究所召開的新聞發(fā)布會獲悉，利用我國西藏羊八井的ASγ實驗陣列，中日兩國研究人員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957萬億電子伏特, 接近1拍電子伏特(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)。研究成果被美國物理學會評論為研究高能宇宙線起源“世紀之謎”的里程碑。

高能宇宙線從哪里來?這是一個世紀之謎，被美國國家研究委員會列為21世紀11個最前沿的科學問題之一。

所謂宇宙線，是指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。通常低于幾個拍電子伏特能量的宇宙線被認為主要產(chǎn)生于銀河系內(nèi)，而能將宇宙線加速到拍電子伏特能級的天體，被稱為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)量黑洞等都可能是候選的拍電子伏特宇宙線加速器。

然而，迄今為止并沒有任何一個拍電子伏特宇宙線加速器得到觀測證實。

“主要是因為宇宙射線帶電荷，它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的影響而發(fā)生偏轉(zhuǎn)，到達地球時的方向已經(jīng)不再指向源頭了，無法通過宇宙線的方向來尋找這種天體源。”中科院高能所研究員黃晶說。

幸運的是，宇宙射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射線能量十分之一的伽馬射線。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，借此可以尋找拍電子伏特宇宙線加速器。

判斷一個天體源是否為拍電子伏特宇宙線加速器，主要有三大依據(jù)。“該天體源發(fā)出的伽馬射線能量是否超過100萬億電子伏特;伽馬射線發(fā)射區(qū)與分子云的位置是否一致;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。”黃晶說。

這次ASγ實驗在銀盤上發(fā)現(xiàn)超高能彌散伽馬射線，其能譜特征與拍電子伏特能級宇宙線和銀河系分子云碰撞產(chǎn)生伽馬射線的模型預言相符，就像是拍電子伏特宇宙線加速器在銀河系內(nèi)留下的一串串“足跡”，是拍電子伏特宇宙線加速器存在于銀河系的重要證據(jù)。

3月2日，ASγ實驗發(fā)布了另一個相關的重要研究成果：首次發(fā)現(xiàn)超新星遺跡SNR G106.3+2.7方向存在超過100萬億電子伏特的伽馬射線。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)的最有可能的拍電子伏特宇宙線加速器候選天體。

黃晶表示，綜合起來，ASγ實驗的這兩項重要結(jié)果，分別從拍電子伏特宇宙線加速器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，拍電子伏特宇宙線加速器在銀河系內(nèi)存在。這一發(fā)現(xiàn)，朝著解開高能宇宙線起源的世紀之謎邁出了重要一步。

2014年，ASγ實驗團隊在現(xiàn)有65000平方米宇宙線表面陣列下面，增設了有效面積3400平方米的創(chuàng)新型地下繆子水切倫科夫探測陣列，用于探測宇宙線與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。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100萬億電子伏特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)的關鍵技術基礎。

據(jù)介紹，西藏中日合作ASγ實驗位于海拔4300米的西藏羊八井，始建于1989年，由中國科學院高能物理研究所、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個日方合作單位參與。

本報記者 陸成寬

關鍵詞： 高能宇宙線