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《物理評論快報(bào)》上正式發(fā)表,并被作為高亮點(diǎn)論文加以推薦。
西藏羊八井中日合作實(shí)驗(yàn)表面陣列(中科院高能物理研究所供圖)
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?!?font>中科院高能物理研究所所長、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?!斑@成為能夠取得此次發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)?!秉S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。
我國西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)地下水切倫科夫探測器(中科院高能物理研究所供圖)
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?!拔覀冏畛醯难芯糠较蚴窍M麑ふ毅y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>
西藏ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)觀測到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標(biāo)系下的分布(中科院高能物理研究所供圖)
相關(guān)論文消息:https://journals.aps.org/prl/accepted/2207cYd3La91536bf3509f3189e65322ea6e4b7e0
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