◎ 科技日報記者 陸成寬

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。

圖1: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系下的分布

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“世紀之迷”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，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發(fā)生偏轉，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是“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?！秉S晶說。

圖2：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）

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的空間分布結果表明，拍電子伏特宇宙線加速器在銀河系內存在。這一發(fā)現(xiàn)，朝著解開高能宇宙線起源的世紀之謎邁出的重要一步。

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)新型的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。

科技日報

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