超高能宇宙線從哪來(lái)？相關(guān)觀測(cè)結(jié)果在線發(fā)表于《自然·天文》上

利用我國(guó)西藏羊八井的ASγ實(shí)驗(yàn)陣列，中日兩國(guó)研究團(tuán)隊(duì)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)射出了超過100萬(wàn)億電子伏特的伽馬射線。這些伽馬射線可能是被超新星遺跡中的激波加速到拍電子伏特(1000萬(wàn)億電子伏特)的宇宙射線與附近的分子云碰撞產(chǎn)生的。因此，該超新星遺跡成為銀河系中一個(gè)候選的“拍電子伏特宇宙線加速器”，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(cè)結(jié)果3月2日在線發(fā)表于《自然·天文》上。

將宇宙射線加速到比地球上人造加速器的最高能量還高100倍的拍電子伏特的天體源，被稱為“拍電子伏特宇宙線加速器”。這種天體源被認(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?cè)趥鞑サ倪^程中會(huì)受到銀河系磁場(chǎng)的影響發(fā)生偏轉(zhuǎn)，到達(dá)地球時(shí)的方向已經(jīng)不再指向源頭了，無(wú)法通過宇宙線的方向來(lái)尋找這種天體源。

“因此，1912年發(fā)現(xiàn)宇宙射線以來(lái)，超高能宇宙線的起源問題至今未解，是一個(gè)世紀(jì)之謎。”中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員黃晶說(shuō)。

幸運(yùn)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。由于伽馬射線不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測(cè)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“拍電子伏特宇宙線加速器”。

判斷一個(gè)天體源是否是“拍電子伏特宇宙線加速器”，主要有三大依據(jù)。“該天體源發(fā)出的伽馬射線能量是否超過100萬(wàn)億電子伏特;伽馬射線發(fā)射區(qū)與分子云的位置是否一致;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。”黃晶說(shuō)。

此前，世界上還沒有任何一個(gè)實(shí)驗(yàn)組找到同時(shí)滿足以上3個(gè)條件的天體。

2014年，中日合作ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)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(cè)器，用于探測(cè)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(cè)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(cè)伽馬射線的靈敏度。

此次，中日合作團(tuán)隊(duì)通過2年的觀測(cè)，測(cè)量到了來(lái)自超新星遺跡SNR G106.3+2.7方向的超過100萬(wàn)億電子伏特的超高能伽馬射線，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，同時(shí)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。

黃晶表示，對(duì)這些觀測(cè)結(jié)果的一個(gè)合理解釋是：宇宙射線在超新星遺跡的激波中被加速到拍電子伏特能區(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。這個(gè)超新星遺跡因此成為銀河系中一個(gè)“拍電子伏特宇宙線加速器”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(gè)寶貴的窗口。

據(jù)介紹，西藏中日合作ASγ實(shí)驗(yàn)位于海拔4300米的西藏羊八井，始建于1989年，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、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)宇宙線研究所等16個(gè)日方合作單位參與。(陸成寬)