中日合作团队发现超高能宇宙线加速候选天体

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中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)3月2日对外宣布,中日合作团队最新利用中国西藏羊八井ASγ实验阵列(西藏ASγ实验),在国际上首次发现距地球2600光年、编号为SN RG106.3+2.7的超新星遗迹发射出超过100TeV(100万亿电子伏特)的伽马射线。

据中新社报道,宇宙射线(即宇宙线)自1912年发现以来,超高能宇宙线的起源问题至今未解,堪称世纪之谜,也一直备受学界关注。

这些伽马射线可能是被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(拍电子伏特)的宇宙线(主要成份为质子)与附近的分子云碰撞产生。因此,超新星遗迹SNR G106.3+2.7成为银河系中一个超高能宇宙线加速候选天体——“拍电子伏特宇宙线加速器”(“PeVatron”),这也为解开超高能宇宙线的起源之谜打开了一个重要窗口。

海拔4300米的西藏ASγ实验始建于1989年,由中科院高能所、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。中日合作双方这次在高能和天文领域的重磅发现及相关观测结果的研究论文,北京时间2日凌晨由国际专业学术期刊《自然·天文》在线发表。

中科院高能所粒子天体中心研究员、西藏ASγ实验负责人黄晶介绍说,将宇宙线加速到PeV能量的天体源被称为“PeVatron”,并被认为应该存在于银河系中。2014年,中日合作团队在西藏ASγ实验原有宇宙线表面阵列地下,增设创新型的4500平方米地下缪子水切伦科夫探测器,用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。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,从而大大提高探测伽马射线的灵敏度。

此次最新研究,中日合作团队通过有效时间两年的观测,测量到来自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。

她认为,对这些观测结果的一个合理解释,就是质子在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。就这样,SNR G106.3+2.7成为了银河系中一个“PeVatron”候选体。

中科院高能所透露,作为西藏ASγ实验的后续项目,中国正在四川稻城建设大面积高海拔宇宙线观测站(LHAASO),其3/4阵列已建成并投入观测运行。和ASγ实验相比,LHAASO的能量范围和灵敏度要高一个数量级以上,有望将宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新的高度。

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