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超高能宇宙線從哪來?這個世紀之謎現破解曙光

發佈時間:2021-03-17 14:54:00來源: 科技日報


ASγ實驗陣列


進行ASγ實驗的相關儀器 受訪單位供圖

  超高能宇宙線從哪兒來?這是一個世紀之謎。

  利用我國西藏羊八井的ASγ實驗陣列,中日兩國研究團隊在國際上首次發現,距地球2600光年的超新星遺蹟SNR G106.3+2.7,發射出了超過100萬億電子伏特的伽馬射線。這些伽馬射線可能是被超新星遺蹟中的激波加速到拍電子伏特(1000萬億電子伏特)的宇宙射線與附近的分子云碰撞產生的。因此,該超新星遺蹟成為銀河系中一個候選的“拍電子伏特宇宙線加速器”,為解開超高能宇宙射線的起源之謎打開了重要窗口。相關觀測結果3月2日在線發表於《自然·天文》上。

  將宇宙射線加速到比地球上人造加速器的最高能量還高100倍的拍電子伏特的天體源,被稱為“拍電子伏特宇宙線加速器”。這種天體源被認為應該存在於銀河系中。但是,由於宇宙射線帶電荷,它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的影響發生偏轉,到達地球時的方向已經不再指向源頭了,無法通過宇宙線的方向來尋找這種天體源。

  “因此,1912年發現宇宙射線以來,超高能宇宙線的起源問題至今未解,是一個世紀之謎。”中國科學院高能物理研究所研究員黃晶説。

  幸運的是,宇宙射線在其源頭被加速後,可能與附近的分子云發生碰撞,產生中性π介子,隨後π介子衰變產生能量約為母體宇宙射線能量十分之一的伽馬射線。由於伽馬射線不帶電荷,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,藉此可以尋找“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。“該天體源發出的伽馬射線能量是否超過100萬億電子伏特;伽馬射線發射區與分子云的位置是否一致;能夠排除超高能伽馬射線產生於脈衝星及其風雲高能電子的可能性。”黃晶説。

  此前,世界上還沒有任何一個實驗組找到同時滿足以上3個條件的天體。

  2014年,中日合作ASγ實驗團隊在原有的宇宙線表面陣列的地下增設了創新型的地下繆子水切倫科夫探測器,用於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據,可以排除99.92%的宇宙線背景噪聲,從而大大提高了探測伽馬射線的靈敏度。

  此次,中日合作團隊通過2年的觀測,測量到了來自超新星遺蹟SNR G106.3+2.7方向的超過100萬億電子伏特的超高能伽馬射線,發現這些伽馬射線的空間分佈與附近分子云的分佈接近,同時與這個區域內存在的脈衝星及其風雲關聯較弱。

  黃晶表示,對這些觀測結果的一個合理解釋是:宇宙射線在超新星遺蹟的激波中被加速到拍電子伏特能區,然後與附近的分子云碰撞產生中性π介子,隨後π介子衰變產生超高能伽馬射線。這個超新星遺蹟因此成為銀河系中一個“拍電子伏特宇宙線加速器”候選體,為解開超高能宇宙線起源的世紀之謎打開了一個寶貴的窗口。

  據介紹,西藏中日合作ASγ實驗位於海拔4300米的西藏羊八井,始建於1989年,由中國科學院高能物理研究所、國家天文台等國內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。

(責編: 常薇薇)

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