里程碑！人類首次發現銀河系超高能宇宙線源存在證據

來源：科技日報

4月2日，記者從中國科學院高能物理研究所召開的新聞發佈會獲悉，利用我國西藏羊八井的ASγ實驗陣列，中日兩國研究人員觀測到迄今爲止最高能量的彌散伽馬射線輻射，最高能量達957萬億電子伏特，接近1拍電子伏特（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。

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。研究成果被美國物理學會評論爲研究高能宇宙線起源“世紀之迷”的里程碑。

高能宇宙線從哪裏來？這是一個世紀之謎，被美國國家研究委員會列爲21世紀11個最前沿的科學問題之一。

所謂宇宙線，是指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。通常低於幾個拍電子伏特能量的宇宙線被認爲主要產生於銀河系內，而能將宇宙線加速到拍電子伏特能級的天體，被稱爲“拍電子伏特宇宙線加速器”。

根據理論模型，超新星遺蹟、恆星形成區和銀河系中心的超大質量黑洞等都可能是候選的“拍電子伏特宇宙線加速器”。

然而，迄今爲止並沒有任何一個“拍電子伏特宇宙線加速器”得到觀測證實。

“主要是因爲宇宙射線帶電荷，它們在傳播的過程中會受到銀河系磁場的影響發生偏轉，到達地球時的方向已經不再指向源頭了，無法通過宇宙線的方向來尋找這種天體源。”中科院高能所研究員黃晶說。

幸運的是，宇宙射線在其源頭被加速後，可能與附近的分子云發生碰撞，產生中性π介子，隨後π介子衰變產生能量約爲母體宇宙射線能量十分之一的伽馬射線。由於伽馬射線不帶電荷，沿直線傳播，因此觀測到的伽馬射線到達方向就是該天體源方向，藉此可以尋找“拍電子伏特宇宙線加速器”。

判斷一個天體源是否是“拍電子伏特宇宙線加速器”，主要有三大依據。“該天體源發出的伽馬射線能量是否超過100萬億電子伏特；伽馬射線發射區與分子云的位置是否一致；能夠排除超高能伽馬射線產生於脈衝星及其風雲高能電子的可能性。”黃晶說。

圖2：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）

這次ASγ實驗在銀盤上發現超高能彌散伽馬射線，其能譜特徵與拍電子伏特能級宇宙線和銀河系分子云碰撞產生伽馬射線的模型預言相符，就像是 “拍電子伏特宇宙線加速器” 在銀河系內留下的一串串“足跡”，是“拍電子伏特宇宙線加速器”存在於銀河系的重要證據。

3月2日，ASγ實驗發佈了另一個相關的重要研究成果，首次發現超新星遺蹟 SNR G106.3+2.7 方向存在超過100萬億電子伏特的伽馬射線。這些伽馬射線的能量及空間分佈特徵表明 SNR G106.3+2.7是目前爲止在銀河系中發現的最可能的 “拍電子伏特宇宙線加速器”候選天體。

黃晶表示，綜合起來，ASγ實驗的這兩項重要結果，分別從“拍電子伏特宇宙線加速器”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，拍電子伏特宇宙線加速器在銀河系內存在。這一發現，朝着解開高能宇宙線起源的世紀之謎邁出的重要一步。

2014年，ASγ實驗團隊在現有65000平方米宇宙線表面陣列下面，增設了有效面積3400平方米的創新型的地下繆子水切倫科夫探測陣列，用於探測宇宙線與地球大氣作用產生的繆子。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100萬億電子伏特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。

據介紹，西藏中日合作ASγ實驗位於海拔4300米的西藏羊八井，始建於1989年，由中國科學院高能物理研究所、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個日方合作單位參與。