科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)超高能宇宙線加速器在銀河系中存在的證據(jù)

高能宇宙線來自哪里？這是自宇宙線發(fā)現(xiàn)以來，跨越了整整一個(gè)世紀(jì)的未解之謎，也被美國國家研究委員會(huì)列為21世紀(jì)11個(gè)最前沿的天文和物理問題之一。

而就在最近，西藏羊八井中日合作實(shí)驗(yàn)（ASγ實(shí)驗(yàn)）的最新成果，讓人們離解開這個(gè)世紀(jì)之謎又近了一步。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家在國際上首次發(fā)現(xiàn)超高能宇宙線加速器在銀河系中存在的證據(jù)。美國物理學(xué)會(huì)（APS）評(píng)論，該成果是百年宇宙線起源研究的里程碑。

相關(guān)觀測結(jié)果將于4月5日在美國《物理評(píng)論快報(bào)》上正式發(fā)表，并被作為高亮點(diǎn)論文加以推薦。

銀河里的蛛絲馬跡

宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，主要由質(zhì)子和其他原子核組成。能將宇宙線加速到高達(dá)千萬億電子伏特（PeV）級(jí)別的天體，被稱為“拍電子伏特宇宙線加速器”（PeVatron），又名超高能宇宙線加速器。

超高能宇宙線加速器代表了銀河系內(nèi)活動(dòng)最為劇烈的天體。通常，根據(jù)理論模型，超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等，都是候選的超高能宇宙線加速器。

由于帶電的高能宇宙線粒子在銀河系傳播的過程中，運(yùn)動(dòng)方向會(huì)被磁場偏轉(zhuǎn)，無法通過直接探測搜尋其源頭方向，于是，科學(xué)家們想到了另一種探測的手段——高能宇宙線在傳播過程中會(huì)與星際介質(zhì)碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生能量約為宇宙線母粒子能量十分之一的高能伽馬射線，高能伽馬射線不帶電，沿直線傳播。

只要能在銀河系里找到超高能伽馬射線，就能沿著伽馬射線的方向，搜尋到宇宙線的起源。

“超高能伽馬射線就像是超高能宇宙線加速器在銀河系內(nèi)留下的一串串‘足跡’，是它們存在于銀河系的重要證據(jù)。”論文作者之一、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員黃晶告訴《中國科學(xué)報(bào)》。

2013年，美國費(fèi)米伽馬望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)質(zhì)子在銀河系中被加速到了十億電子伏特級(jí)別。

但直至如今，銀河系中都沒有任何千萬億電子伏特級(jí)別的超高能宇宙線加速器得到觀測證實(shí)，以至于人們懷疑銀河系中是否真的存在這樣的加速器。

“足跡”追尋者

與十億電子伏特級(jí)別的伽馬射線相比，超高能伽馬射線數(shù)量少，要尋找這樣的“足跡”，無異于大海撈針，地球大氣乃至宇宙中各種各樣的粒子，無時(shí)無刻不在向各類觀測設(shè)備傳遞噪聲，阻礙著人們的視線。

“超高能伽馬射線只有不到宇宙線的1%，會(huì)被淹沒在宇宙線背景中，很難抑制宇宙線本底，挑出伽馬射線?！秉S晶說。

經(jīng)過30多年的發(fā)展，西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)具備了這種排除干擾、尋找“足跡”的能力。

早在30年多前，1989年，西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)建在了位于海拔4300米的西藏羊八井鎮(zhèn)，1995年被美國《科學(xué)》雜志列為中國的25個(gè)科研基地之一。

實(shí)驗(yàn)組由中科院高能物理研究所、中科院國家天文臺(tái)等國內(nèi)12個(gè)合作單位以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16個(gè)日方合作單位組成，團(tuán)隊(duì)成員超過100人。

“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?！敝锌圃焊吣芪锢硌芯克L、中科院院士王貽芳說。

黃晶介紹，西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)初期，主要經(jīng)費(fèi)和科研工作大部分是由日方承擔(dān)，但近年來中日雙方不論是經(jīng)費(fèi)還是科研內(nèi)容方面，已經(jīng)基本處于對等貢獻(xiàn)水平。

2014年，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在已有的65000平方米宇宙線表面陣列下面，建設(shè)了有效面積3400平方米的地下繆子水切倫科夫探測陣列，綜合利用地面和地下探測器陣列的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)組可以將0.1PeV以上的宇宙線背景噪聲壓低到百萬分之一，從而極大地提高了伽馬射線探測的靈敏度。

“這成為能夠取得此次發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。”黃晶說。

在國際合作分工方面，黃晶表示，目前實(shí)驗(yàn)的所有工作不再作具體劃分，從開發(fā)設(shè)計(jì)、建設(shè)運(yùn)行到最后的數(shù)據(jù)重建、物理分析都是中日雙方平行進(jìn)行，既充分合作又有所競爭，這種狀態(tài)使得合作組能長期一直保持世界較高水平并作出了系列領(lǐng)先的科研成果。

曙光就在前方

今年3月2日，西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在銀河系中找到了超高能宇宙線加速器的候選天體。

他們首次發(fā)現(xiàn)超新星遺跡 SNR G106.3+2.7 方向存在超過1百萬億電子伏特（1 TeV）的伽馬射線，并通過這些伽馬射線的能量及空間分布特征，證明了SNR G106.3+2.7是目前為止在銀河系中發(fā)現(xiàn)的最可能的超高能宇宙線加速器候選天體。

這次，科學(xué)家再次通過西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)設(shè)備，觀測到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，給出了超高能彌散伽馬射線在銀河系內(nèi)的空間分布情況。

這些超高能伽馬射線的能譜特征與PeV能量宇宙線和銀河系分子云碰撞產(chǎn)生伽馬射線的模型預(yù)言相符。

“ASγ實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了PeV宇宙線在銀盤上的‘足跡’，從實(shí)驗(yàn)上表明超高能宇宙線加速器存在于銀河系內(nèi)?！蹦暇┐髮W(xué)天文系教授王祥玉如是評(píng)價(jià)。

對于科研團(tuán)隊(duì)來說，此次的觀測結(jié)果仍有些許遺憾。

“我們最初的研究方向是希望尋找銀河系內(nèi)存在的超高能宇宙線加速器候選天體，也就是希望這些超高能伽馬射線能指向超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等天體。但觀測到的結(jié)果是，最高能量伽馬射線并沒有指向已知的伽馬射線源，而是集中在銀河系圓盤，沿著銀河系擴(kuò)散開來?！秉S晶說。

那么，解決高能宇宙線起源問題的下一步該往哪走？黃晶認(rèn)為，要徹底解決高能宇宙線起源問題，還差“臨門一腳”,要完成這“臨門一腳”，一是要開發(fā)更先進(jìn)的、創(chuàng)新型的宇宙線立體探測技術(shù)，二是要開展6000米超高海拔宇宙線實(shí)驗(yàn)，以降低實(shí)驗(yàn)觀測閾值并獲得更高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。

“未來，高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）等設(shè)備能觀測更寬能量范圍、更完整的彌散伽馬射線能譜?！蓖跸橛裾f。

對于未來，黃晶充滿信心：“曙光就在前方，先進(jìn)的觀測技術(shù)結(jié)合我國特有的超高海拔優(yōu)勢，必將讓我國的宇宙線研究走到最前列?！?/p>

原文標(biāo)題：重磅！羊八井實(shí)驗(yàn)有望破解世紀(jì)之謎

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