宇宙線自1912年被發(fā)現(xiàn)至今已100多年，然而，超高能宇宙線的起源問題至今未解，成為“世紀(jì)之謎”。
近日，中日合作團隊利用我國西藏羊八井ASgamma（ASγ）實驗陣列，在國際上首次發(fā)現(xiàn)，距地球2600光年的超新星遺跡 SNR G106.3+2.7發(fā)射出了超過100TeV（萬億電子伏特）的伽馬射線。
科學(xué)家推斷，這些伽馬射線可能是由PeV（又稱拍電子伏特，千萬億電子伏特）能量級別的宇宙線與附近的分子云碰撞產(chǎn)生的，而宇宙線則是被該超新星遺跡的沖擊波加速產(chǎn)生的。SNR G106.3+2.7由此成為銀河系中一個可能的“拍電子伏特宇宙線加速器”(PeVatron)，為解開超高能宇宙線的起源之謎打開重要窗口。相關(guān)觀測結(jié)果3月2日發(fā)表于《自然—天文學(xué)》。
我國西藏ASγ實驗表面陣列（中科院高能所供圖）
難尋的超高能宇宙線加速器
“PeV”是一個至今靠人類力量無法企及的超高能量，它比地球上人造加速器的最高能量還要高出100倍。
自然的力量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超乎人類，一些科學(xué)家們認(rèn)為，銀河系中存在拍電子伏特宇宙線加速器，即能夠?qū)⒂钪嫔渚€加速到PeV能量的天體源。但是，長期以來，這樣的天體源并未被找到，超高能宇宙線的起源也成了世紀(jì)之謎。
之所以難找，是因為宇宙線帶電荷，它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時的方向已經(jīng)不再指向源頭了，因此無法通過宇宙線的方向來判斷源頭在哪。
幸運的是，宇宙線（例如質(zhì)子）在其源頭附近被超新星遺跡的激波加速到PeV能區(qū)，然后與附近的分子云碰撞，產(chǎn)生中性的派介子，壽命極短的派介子會迅速衰變產(chǎn)生能量約為母體宇宙線能量十分之一的伽馬射線。由于伽馬射線不帶電荷，沿直線傳播，因此，從地球上觀測到的伽馬射線到達(dá)方向就對應(yīng)了該天體源方向。
三條主要判據(jù)
論文作者之一、中國科學(xué)院高能物理研究所（以下簡稱中科院高能所）研究員黃晶告訴《中國科學(xué)報》，科研人員之所以能夠判斷出該超新星遺跡是拍電子伏特宇宙線加速器，主要依賴三條判據(jù)，一是該天體源發(fā)出的伽馬射線能量超過100 TeV；二是伽馬射線發(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產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性。
此前，世界上還沒有任何一個實驗組找到同時滿足這三個條件的天體。
羊八井ASγ實驗并非唯一一個觀測到來自于這個超新星遺跡的伽馬射線的實驗。同樣觀測到的還有美國的VERITAS成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡、美國費米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡、美國的HAWC實驗。
不過，黃晶表示，美國的VERITAS成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡、費米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡對100TeV以上能區(qū)的伽馬射線觀測靈敏度不夠，而HAWC實驗觀測到的100TeV伽馬射線輻射區(qū)位置精度較低，不足以排除伽馬射線產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性。
靈敏度高點高點再高點
西藏中日合作ASγ實驗位于海拔4300米的西藏羊八井，始建于1989年。
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(shè)了創(chuàng)新型的地下繆子水切倫科夫探測器,面積約4500平方米，用于探測宇宙線質(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器陣列的數(shù)據(jù)，可以排除99.92%的宇宙線背景噪聲，從而提高了探測伽馬射線的靈敏度。
地下繆子水切倫科夫探測器（中科院高能所供圖）
黃晶介紹，此次，中日合作團隊通過有效時間2年的觀測，測量到了來自SNR G106.3+2.7方向的超過100TeV的超高能伽馬射線，發(fā)現(xiàn)這些伽馬射線的空間分布與附近分子云的分布接近，而與這個區(qū)域內(nèi)存在的脈沖星及其風(fēng)云關(guān)聯(lián)較弱。
“對這些觀測結(jié)果的一個合理解釋是：質(zhì)子在超新星遺跡附近被沖擊波加速到PeV能區(qū)，然后與附近的分子云碰撞產(chǎn)生中性派介子，隨后派介子衰變產(chǎn)生超高能伽馬射線。這樣，這個超新星遺跡就成為銀河系中一個拍電子伏特宇宙線加速器的候選體。”黃晶說。
中科院高能所副所長盧方軍告訴《中國科學(xué)報》，作為西藏羊八井ASγ實驗的后續(xù)項目，我國正在四川稻城建設(shè)大面積高海拔宇宙線觀測站（LHAASO），其四分之三陣列已經(jīng)建成并投入觀測運行。和ASγ實驗相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個數(shù)量級以上，將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進到一個新的高度。（倪思潔）
相關(guān)論文信息: https://dx.doi.org/10.1038/s41550-020-01294-9
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