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超高能宇宙射线起源之谜初现破解曙光

来源:文汇报 许琦敏  发表时间:2021-3-2 10:08:26   浏览:

   3月2日凌晨,国际知名学术期刊《自然-天文》发表了中日合作团队利用我国西藏羊八井ASγ实验阵列获得的一项重要发现:在国际上首次发现距地球2600光年的超新星遗迹SNR G106.3+2.7所发射出的超过100TeV(100万亿电子伏特)的伽马射线。

  这些伽马射线可能是被SNR G106.3+2.7中的激波加速到PeV(拍电子伏特)的宇宙射线(主要成分为质子)与附近的分子云碰撞所产生的。SNR G106.3+2.7因此成为银河系中一个候选的“拍电子伏特宇宙线加速器”(PeVatron),这为解开超高能宇宙射线的起源之谜打开了重要窗口。

  自1912年宇宙射线发现以来,超高能宇宙线的起源问题至今未解,已成为一个世纪之谜。将宇宙射线加速到PeV能量的天体源被称为“PeVatron”,这一能量比地球上人造加速器的最高能量要高出100倍。

  宇宙学家认为,这种天体应该就存在于银河系中。但由于宇宙射线带电荷,它们在传播过程中会受到银河系磁场的偏转,待它们到达地球时,其方向早已不再指向源头,因此人类无法通过宇宙线的到达方向来寻找PeVatron。幸运的是,在其“出生地”被加速后,宇宙射线可能与附近的分子云发生碰撞,从而产生中性π介子,随后π介子衰变产生能量约为母体宇宙射线能量十分之一的伽马射线(这类伽马射线被称为是“强子起源”)。由于伽马射线不带电荷,沿直线传播,因此观测到伽马射线的到达方向就是该天体源方向,科学家借此可以寻找到PeVatron所在地。

  据介绍,判断一个天体源是否是宇宙线PeVatron,主要有三条判据:该天体源发出的伽马射线能量超过100TeV;伽马射线发射区与分子云的位置一致;能够排除超高能伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性,即排除“轻子起源”。

  此前,世界上还没有任何一个实验组找到同时满足以上三个条件的天体。西藏中日合作ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井,始建于1989年。2014年,中日实验团队在原有的宇宙线表面阵列的地下增设了创新型的地下缪子水切伦科夫探测器——综合利用表面和地下探测器阵列的数据,可以排除99.92%的宇宙线背景噪声,从而大大提高了探测伽马射线的灵敏度。

  此次,中日合作团队通过有效时间两年的观测,测量到了来自SNR G106.3+2.7方向的超过100TeV的超高能伽马射线,发现这些伽马射线的空间分布与附近分子云的分布接近,而与这个区域内存在的脉冲星及其风云关联较弱。

  对这些观测结果的一个合理解释是:质子在SNR G106.3+2.7附近被激波加速到PeV能区,然后与附近的分子云碰撞产生中性π介子,随后π介子衰变产生超高能伽马射线。这样,G106.3+2.7就成为银河系中一个PeVatron候选体,为解开超高能宇宙线起源的世纪之谜打开了一个宝贵的窗口。

(原载于《文汇报》 2021-03-02 07版)

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