科学家在西藏首次发现银河系中的超高能宇宙线加速器

科学家在西藏首次发现银河系中的超高能宇宙线加速器
西藏羊八井中日合作实验表面阵列

高能宇宙线来自哪里?这是自宇宙线发现以来,跨越了整整一个世纪的未解之谜,也被美国国家研究委员会列为21世纪11个最前沿的天文和物理问题之一。

而就在最近,西藏羊八井中日合作实验(ASγ实验)的最新成果,让人们离解开这个世纪之谜又近了一步。

在这项研究中,科学家在国际上首次发现超高能宇宙线加速器在银河系中存在的证据。美国物理学会(APS)评论,该成果是百年宇宙线起源研究的里程碑。

相关观测结果将于4月5日在美国《物理评论快报》上正式发表,并被作为高亮点论文加以推荐。

银河里的蛛丝马迹

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流,主要由质子和其他原子核组成。能将宇宙线加速到高达千万亿电子伏特(PeV)级别的天体,被称为“拍电子伏特宇宙线加速器”(PeVatron),又名超高能宇宙线加速器。

超高能宇宙线加速器代表了银河系内活动最为剧烈的天体。通常,根据理论模型,超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等,都是候选的超高能宇宙线加速器。

由于带电的高能宇宙线粒子在银河系传播的过程中,运动方向会被磁场偏转,无法通过直接探测搜寻其源头方向,于是,科学家们想到了另一种探测的手段——高能宇宙线在传播过程中会与星际介质碰撞,进而产生能量约为宇宙线母粒子能量十分之一的高能伽马射线,高能伽马射线不带电,沿直线传播。

只要能在银河系里找到超高能伽马射线,就能沿着伽马射线的方向,搜寻到宇宙线的起源。

“超高能伽马射线就像是超高能宇宙线加速器在银河系内留下的一串串‘足迹’,是它们存在于银河系的重要证据。”论文作者之一、中国科学院高能物理研究所研究员黄晶告诉《中国科学报》。

2013年,美国费米伽马望远镜首次发现质子在银河系中被加速到了十亿电子伏特级别。

但直至如今,银河系中都没有任何千万亿电子伏特级别的超高能宇宙线加速器得到观测证实,以至于人们怀疑银河系中是否真的存在这样的加速器。

“足迹”追寻者

与十亿电子伏特级别的伽马射线相比,超高能伽马射线数量少,要寻找这样的“足迹”,无异于大海捞针,地球大气乃至宇宙中各种各样的粒子,无时无刻不在向各类观测设备传递噪声,阻碍着人们的视线。

“超高能伽马射线只有不到宇宙线的1%,会被淹没在宇宙线背景中,很难抑制宇宙线本底,挑出伽马射线。”黄晶说。

经过30多年的发展,西藏 ASγ实验具备了这种排除干扰、寻找“足迹”的能力。

早在30年多前,1989年,西藏 ASγ实验建在了位于海拔4300米的西藏羊八井镇,1995年被美国《科学》杂志列为中国的25个科研基地之一。

实验组由中科院高能物理研究所、中科院国家天文台等国内12个合作单位以及日本东京大学宇宙线研究所等16个日方合作单位组成,团队成员超过100人。

“此次重要发现是中日合作双方 30 年持之以恒、不断创新、不断努力的结果。”中科院高能物理研究所所长、中科院院士王贻芳说。

黄晶介绍,西藏 ASγ实验初期,主要经费和科研工作大部分是由日方承担,但近年来中日双方不论是经费还是科研内容方面,已经基本处于对等贡献水平。

2014年,实验团队在已有的65000平方米宇宙线表面阵列下面,建设了有效面积3400平方米的地下缪子水切伦科夫探测阵列,综合利用地面和地下探测器阵列的数据,实验组可以将0.1PeV以上的宇宙线背景噪声压低到百万分之一,从而极大地提高了伽马射线探测的灵敏度。

“这成为能够取得此次发现的关键技术基础。”黄晶说。

在国际合作分工方面,黄晶表示,目前实验的所有工作不再作具体划分,从开发设计、建设运行到最后的数据重建、物理分析都是中日双方平行进行,既充分合作又有所竞争,这种状态使得合作组能长期一直保持世界较高水平并作出了系列领先的科研成果。

曙光就在前方

今年3月2日,西藏 ASγ实验团队在银河系中找到了超高能宇宙线加速器的候选天体。

他们首次发现超新星遗迹 SNR G106.3+2.7 方向存在超过1百万亿电子伏特(1 TeV)的伽马射线,并通过这些伽马射线的能量及空间分布特征,证明了SNR G106.3+2.7是目前为止在银河系中发现的最可能的超高能宇宙线加速器候选天体。

这次,科学家再次通过西藏 ASγ实验设备,观测到迄今为止最高能量的弥散伽马射线辐射,给出了超高能弥散伽马射线在银河系内的空间分布情况。

这些超高能伽马射线的能谱特征与PeV能量宇宙线和银河系分子云碰撞产生伽马射线的模型预言相符。

“ASγ实验发现了PeV宇宙线在银盘上的‘足迹’,从实验上表明超高能宇宙线加速器存在于银河系内。”南京大学天文系教授王祥玉如是评价。

对于科研团队来说,此次的观测结果仍有些许遗憾。

“我们最初的研究方向是希望寻找银河系内存在的超高能宇宙线加速器候选天体,也就是希望这些超高能伽马射线能指向超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等天体。但观测到的结果是,最高能量伽马射线并没有指向已知的伽马射线源,而是集中在银河系圆盘,沿着银河系扩散开来。”黄晶说。

那么,解决高能宇宙线起源问题的下一步该往哪走?黄晶认为,要彻底解决高能宇宙线起源问题,还差“临门一脚”,要完成这“临门一脚”,一是要开发更先进的、创新型的宇宙线立体探测技术,二是要开展6000米超高海拔宇宙线实验,以降低实验观测阈值并获得更高质量的观测数据。

“未来,高海拔宇宙线观测站(LHAASO)等设备能观测更宽能量范围、更完整的弥散伽马射线能谱。”王祥玉说。

对于未来,黄晶充满信心:“曙光就在前方,先进的观测技术结合我国特有的超高海拔优势,必将让我国的宇宙线研究走到最前列。”

参考:
M. Amenomori et al. (TibetASc Collaboration).  First Detection of sub-PeV Diffuse Gamma Rays from the Galactic Disk: Evidence for Ubiquitous Galactic Cosmic Rays beyond PeV Energies, Phys. Rev. Lett. 126, 141101 (2021)

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