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光明網(wǎng)訊（記者 張夢(mèng)凡）3月2日，記者從中科院高能物理所了解到，中日合作團(tuán)隊(duì)利用我國(guó)西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)陣列，在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)距地球2600光年的超新星遺跡 SNR G106.3+2.7 發(fā)射出超過(guò)100TeV（100萬(wàn)億電子伏特）的伽馬射線(xiàn)。這些伽馬射線(xiàn)可能是被SNR G106.3+2.7中的激波加速到PeV的宇宙射線(xiàn)與附近的分子云碰撞產(chǎn)生的。

該超新星遺跡成為銀河系中的一個(gè)候選“拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器”，為解開(kāi)超高能宇宙射線(xiàn)的起源之謎打開(kāi)了重要窗口。北京時(shí)間今天（3月2日）零時(shí)，相關(guān)觀測(cè)結(jié)果在頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然天文》發(fā)表。

據(jù)中科院高能所介紹，自1912年發(fā)現(xiàn)宇宙射線(xiàn)以來(lái)，超高能宇宙線(xiàn)的起源問(wèn)題至今未解，是一個(gè)世紀(jì)之謎。將宇宙射線(xiàn)加速到PeV（比地球上人造加速器的最高能量高100倍）能量的天體源被稱(chēng)為“PeVatron”，并被認(rèn)為應(yīng)該存在于銀河系中。但是，由于宇宙射線(xiàn)帶電荷，它們?cè)趥鞑サ倪^(guò)程中會(huì)受到銀河系磁場(chǎng)的偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時(shí)的方向已經(jīng)不再指向源頭了，因此無(wú)法通過(guò)宇宙線(xiàn)的方向來(lái)尋找“PeVatron”。

幸運(yùn)的是，宇宙射線(xiàn)在其源頭被加速后可能與附近的分子云發(fā)生碰撞，產(chǎn)生中性π介子，隨后π介子衰變產(chǎn)生能量約為母體宇宙射線(xiàn)能量十分之一的伽馬射線(xiàn)（這類(lèi)伽馬射線(xiàn)被稱(chēng)為是“強(qiáng)子起源”）。由于伽馬射線(xiàn)不帶電荷，沿直線(xiàn)傳播，因此觀測(cè)到的伽馬射線(xiàn)到達(dá)方向就是該天體源方向，借此可以尋找 “PeVatron”。

判斷一個(gè)天體源是否是宇宙線(xiàn)源“PeVatron”，主要有三條判據(jù)：一是該天體源發(fā)出的伽馬射線(xiàn)能量超過(guò)100TeV；二是伽馬射線(xiàn)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(xiàn)產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性，即排除“輕子起源”。

此前，世界上還沒(méi)有任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)組找到同時(shí)滿(mǎn)足以上三個(gè)條件的天體。美國(guó)的VERITAS成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡在TeV能區(qū)和美國(guó)費(fèi)米伽馬射線(xiàn)空間望遠(yuǎn)鏡在GeV能區(qū)都已觀測(cè)到來(lái)自于SNR G106.3+2.7 的伽馬射線(xiàn)，但它們對(duì)100TeV以上能區(qū)的伽馬射線(xiàn)觀測(cè)靈敏度不夠。最近美國(guó)的HAWC實(shí)驗(yàn)在40TeV-100TeV能區(qū)觀測(cè)到伽馬射線(xiàn)，但其觀測(cè)到的100TeV伽馬射線(xiàn)輻射區(qū)位置精度較低，不足以排除伽馬射線(xiàn)的“輕子起源”（見(jiàn)圖1）。

圖1. 西藏ASγ實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到超新星遺跡（SNR） G106.3+2.7附近10TeV以上的伽馬輻射圖像，伽馬能量延續(xù)到100 TeV以上。

中科院高能所粒子天體中心研究員、西藏ASγ實(shí)驗(yàn)負(fù)責(zé)人黃晶表示，海拔4300米的西藏ASγ實(shí)驗(yàn)始建于1989年，2014年，中日合作ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在原有的宇宙線(xiàn)表面陣列的地下增設(shè)了創(chuàng)新型的地下繆子水切倫科夫探測(cè)器（4500 m2），用于探測(cè)宇宙線(xiàn)質(zhì)子與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。綜合利用表面和地下探測(cè)器陣列的數(shù)據(jù)，可以排除99.92%的宇宙線(xiàn)背景噪聲，從而大大提高了探測(cè)伽馬射線(xiàn)的靈敏度。

中日合作團(tuán)隊(duì)通過(guò)有效時(shí)間2年的觀測(cè)，測(cè)量到來(lái)自SNR G106.3+2.7方向的超過(guò)100TeV的超高能伽馬射線(xiàn)，發(fā)現(xiàn)這些伽馬射線(xiàn)的空間分布與附近分子云的分布接近，而與這個(gè)區(qū)域內(nèi)存在的脈沖星及其風(fēng)云關(guān)聯(lián)較弱。

左圖：我國(guó)西藏ASγ實(shí)驗(yàn)表面陣列。右圖：中日合作ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在地下增設(shè)探測(cè)陣列，大大提高了探測(cè)伽馬射線(xiàn)的靈敏度。

據(jù)了解，西藏中日合作ASγ實(shí)驗(yàn)由中科院高能物理研究所，中科院國(guó)家天文臺(tái)等國(guó)內(nèi)12個(gè)合作單位以及日本東京大學(xué)宇宙線(xiàn)研究所等16個(gè)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(jié)果。該項(xiàng)目得到中國(guó)國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)、科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院及日本文部省、學(xué)術(shù)振興會(huì)(JSPS)等機(jī)構(gòu)的支持。

作為西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)的后續(xù)項(xiàng)目，我國(guó)正在四川稻城建設(shè)大面積高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站LHAASO，其3/4陣列已經(jīng)建成并投入觀測(cè)運(yùn)行。和ASγ實(shí)驗(yàn)相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，將把宇宙線(xiàn)物理和超高能伽馬射線(xiàn)天文研究推進(jìn)到一個(gè)新的高度。

相關(guān)論文信息: https://dx.doi.org/10.1038/s41550-020-01294-9