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(主要成份為質子)與附近的分子云碰撞產生。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域的重磅發(fā)現(xiàn)及相關觀測結果的研究論文，北京時間當天凌晨由國際專業(yè)學術期刊《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

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，到達地球時的方向已經不再指向源頭，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，產生中性π介子，隨后π介子衰變產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：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，用于探測宇宙線質子與地球大氣作用產生的繆子。綜合利用表面和地下探測器陣列的數(shù)據，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)域內存在的脈沖星及其風云關聯(lián)較弱。

她認為，對這些觀測結果的一個合理解釋，就是質子在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生中性π介子，隨后π介子衰變產生超高能伽馬射線。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)

關鍵詞： 超高能宇宙線加速候選天體