科學家首次發現超高能宇宙線源存在於銀河系的證據

近日，中日合作西藏 ASγ實驗觀測到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，最高能量達 957 TeV, 接近 1PeV (1000萬億電子伏特)；這些超高能伽馬射線的方向並沒有指向已知的低能段伽馬射線源，而是瀰漫分佈在銀盤（銀河系在天空的投影）上。這是國際上首次發現拍電子伏特宇宙線加速器（“PeVatron”）在銀河系中存在的證據。該結果被美國物理學會（APS）評論為研究高能宇宙線起源“世紀之迷”的里程碑。

△西藏ASγ實驗團隊觀測到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標係下的分佈

高能宇宙線起源是一個世紀未解之謎，被美國國家研究委員會列為21世紀11個最前沿的科學問題之一。宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子流，主要由質子和其他原子核組成。通常低於幾個 PeV能量的宇宙線被認為主要産生於銀河系內，而能將宇宙線加速到 PeV 能量的天體也被稱為是“拍電子伏特宇宙線加速器”。根據理論模型，超新星遺跡、恒星形成區和銀河系中心的超大品質黑洞等是候選的“PeVatrons”，但迄今為止並沒有任何一個“PeVatrons”得到觀測證實，其主要困難在於，帶電的高能宇宙線粒子在銀河系傳播的過程中其運動方向會被磁場偏轉，無法通過直接探測搜尋其源頭方向。

△我國西藏羊八井ASγ實驗（左圖：ASγ表面陣列；右圖：地下水切倫科夫探測器）

高能宇宙線在傳播過程中與星際介質碰撞可以産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。這次ASγ實驗在銀盤上發現超高能彌散伽馬射線，其能譜特徵與PeV能量宇宙線和銀河系分子云碰撞産生伽馬射線的模型預言相符，就像是 “PeVatron” 在銀河系內留下的一串串“足跡”，是“PeVatron”存在於銀河系的重要證據。

今年3月2日，西藏 ASγ實驗發佈了另一個相關的重要研究成果，首次發現超新星遺跡 SNR G106.3+2.7 方向存在超過100TeV的伽馬射線。這些伽馬射線的能量及空間分佈特徵表明 SNR G106.3+2.7是目前為止在銀河系中發現的最可能的 “PeVatron”候選天體。相關觀測結果在《自然天文》正式發表。

ASγ實驗組由中科院高能物理研究所、中科院國家天文臺等國內12個合作單位以及日本東京大學宇宙線研究所等16個日方合作單位組成。在本項工作中，ASγ實驗組綜合利用地面和地下探測器陣列的數據，將100TeV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。這是ASγ實驗近年來取得系列重大發現的關鍵技術基礎。

綜合起來，ASγ實驗的這兩項重要結果，分別從“PeVatron”的候選天體和超高能彌散伽馬射線在銀河系內的空間分佈結果表明PeV宇宙線加速器在銀河系記憶體在，是朝著解開高能宇宙線起源的世紀之謎邁出的重要一步。 （總臺央視記者 帥俊全）