SNR G106.3+2.7成為銀河系候選的“拍電子伏特宇宙線加速器”

近日，中日合作團(tuán)隊利用我國西藏羊八井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)射出超過100TeV（100萬億電子伏特）的伽馬射線。這些伽馬射線可能是被SNR G106.3+2.7中的激波加速到PeV的宇宙射線（主要成份為質(zhì)子）與附近的分子云碰撞產(chǎn)生的。SNR G106.3+2.7因此成為銀河系中一個候選的“拍電子伏特宇宙線加速器”（“PeVatron”），為解開超高能宇宙射線的起源之謎打開了重要窗口。相關(guān)觀測結(jié)果以 “Potential PeVatron supernova remnant G106.3+2.7 seen in the highest-energy gamma rays”為題，于北京時間3月2日零時在《自然 天文》（Nature Astronomy）正式發(fā)表。

自1912年發(fā)現(xiàn)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(jì)之謎。將宇宙射線加速到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尋找“PeVatron”。

幸運的是，宇宙射線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能量十分之一的伽馬射線（這類伽馬射線被稱為是“強(qiáng)子起源”）。由于伽馬射線不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測到的伽馬射線到達(dá)方向就是該天體源方向，借此可以尋找 “PeVatron”。

判斷一個天體源是否是宇宙線“PeVatron”，主要有三條判據(jù)：

1）該天體源發(fā)出的伽馬射線能量超過100 TeV；

2）伽馬射線發(fā)射區(qū)與分子云的位置一致；

3）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，即排除“輕子起源”。

此前，世界上還沒有任何一個實驗組找到同時滿足以上三個條件的天體。美國的VERITAS成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡在TeV能區(qū)和美國費米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡在GeV能區(qū)都已觀測到來自于SNR G106.3+2.7 的伽馬射線，但它們對100TeV以上能區(qū)的伽馬射線觀測靈敏度不夠。最近美國的HAWC實驗在40TeV-100TeV能區(qū)觀測到伽馬射線，但其觀測到的100TeV伽馬射線輻射區(qū)位置精度較低，不足以排除伽馬射線的“輕子起源”（見圖1）。

圖1. 西藏ASγ實驗觀測到超新星遺跡（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。圖中，黑/青色輪廓分別代表了SNR 殼層和附近分子云的位置，灰色菱形是脈沖星的位置，帶有統(tǒng)計誤差圓的紅星、黑×、品紅色十字和藍(lán)色三角形分別表示西藏ASγ實驗、美國費米伽馬射線空間望遠(yuǎn)鏡組、美國VERITAS切倫科夫望遠(yuǎn)鏡組和美國HAWC實驗組確定的伽馬射線發(fā)射區(qū)的中心位置。

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(tuán)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（4500平方米）（見圖2），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，從而大大提高了探測伽馬射線的靈敏度。此次，中日合作團(tuán)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（見圖1）。對這些觀測結(jié)果的一個合理解釋是：質(zhì)子在SNR G106.3+2.7附近被激波加速到PeV能區(qū)，然后與附近的分子云碰撞產(chǎn)生中性π介子，隨后π介子衰變產(chǎn)生超高能伽馬射線。這樣，G106.3+2.7就成為銀河系中一個“PeVatron”候選體，為解開超高能宇宙線起源的世紀(jì)之謎打開了一個寶貴的窗口。

西藏中日合作ASγ實驗始建于1989年，由中科院高能物理研究所，中科院國家天文臺等國內(nèi)12個合作單位以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16個日方合作單位組成。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。該項目得到中國國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院及日本文部省、學(xué)術(shù)振興會（JSPS）等機(jī)構(gòu)的支持。實驗在西藏 30 年的建設(shè)與運行得到了西藏自治區(qū)各級政府及西藏大學(xué)的大力支持。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3/4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(jìn)到一個新的高度。

原文標(biāo)題：西藏ASγ實驗發(fā)現(xiàn)超高能宇宙線加速候選天體

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