西藏羊八井實(shí)驗(yàn)立功 高能宇宙線(xiàn)起源證據(jù)找到
破解高能宇宙線(xiàn)起源之謎，科學(xué)家取得里程碑式突破！
4月2日，記者從中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所召開(kāi)的新聞發(fā)布會(huì)獲悉，利用我國(guó)西藏羊八井的ASγ實(shí)驗(yàn)陣列，中日兩國(guó)研究人員觀測(cè)到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線(xiàn)輻射，最高能量達(dá)957萬(wàn)億電子伏特， 接近1拍電子伏特（1000萬(wàn)億電子伏特）。這些超高能伽馬射線(xiàn)的方向并沒(méi)有指向已知的低能段伽馬射線(xiàn)源，而是彌漫分布在銀盤(pán)上。
這是國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器（“PeVatron”）在銀河系中存在的證據(jù)。研究成果被美國(guó)物理學(xué)會(huì)評(píng)論為研究高能宇宙線(xiàn)起源“世紀(jì)之謎”的里程碑。
高能宇宙線(xiàn)從哪里來(lái)？這是一個(gè)世紀(jì)之謎，被美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)列為21世紀(jì)11個(gè)最前沿的科學(xué)問(wèn)題之一。
所謂宇宙線(xiàn)，是指來(lái)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。通常低于幾個(gè)拍電子伏特能量的宇宙線(xiàn)被認(rèn)為主要產(chǎn)生于銀河系內(nèi)，而能將宇宙線(xiàn)加速到拍電子伏特能級(jí)的天體，被稱(chēng)為拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器。
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)量黑洞等都可能是候選的拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器。
然而，迄今為止并沒(méi)有任何一個(gè)拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器得到觀測(cè)證實(shí)。
“主要是因?yàn)橛钪嫔渚€(xiàn)帶電荷，它們?cè)趥鞑サ倪^(guò)程中會(huì)受到銀河系磁場(chǎng)的影響而發(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(guò)宇宙線(xiàn)的方向來(lái)尋找這種天體源。”中科院高能所研究員黃晶說(shuō)。
幸運(yùn)的是，宇宙射線(xiàn)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(xiàn)能量十分之一的伽馬射線(xiàn)。由于伽馬射線(xiàn)不帶電荷，沿直線(xiàn)傳播，因此觀測(cè)到的伽馬射線(xiàn)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(xiàn)加速器。
判斷一個(gè)天體源是否為拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器，主要有三大依據(jù)。“該天體源發(fā)出的伽馬射線(xiàn)能量是否超過(guò)100萬(wàn)億電子伏特；伽馬射線(xiàn)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(xiàn)產(chǎn)生于脈沖星及其風(fēng)云高能電子的可能性。”黃晶說(shuō)。
這次ASγ實(shí)驗(yàn)在銀盤(pán)上發(fā)現(xiàn)超高能彌散伽馬射線(xiàn)，其能譜特征與拍電子伏特能級(jí)宇宙線(xiàn)和銀河系分子云碰撞產(chǎn)生伽馬射線(xiàn)的模型預(yù)言相符，就像是拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器在銀河系內(nèi)留下的一串串“足跡”,是拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器存在于銀河系的重要證據(jù)。
3月2日，ASγ實(shí)驗(yàn)發(fā)布了另一個(gè)相關(guān)的重要研究成果：首次發(fā)現(xiàn)超新星遺跡SNR G106.3+2.7方向存在超過(guò)100萬(wàn)億電子伏特的伽馬射線(xiàn)。這些伽馬射線(xiàn)的能量及空間分布特征表明，SNR G106.3+2.7是目前為止在銀河系中發(fā)現(xiàn)的最有可能的拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器候選天體。
黃晶表示，綜合起來(lái)，ASγ實(shí)驗(yàn)的這兩項(xiàng)重要結(jié)果，分別從拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器的候選天體和超高能彌散伽馬射線(xiàn)在銀河系內(nèi)的空間分布結(jié)果表明，拍電子伏特宇宙線(xiàn)加速器在銀河系內(nèi)存在。這一發(fā)現(xiàn)，朝著解開(kāi)高能宇宙線(xiàn)起源的世紀(jì)之謎邁出了重要一步。
2014年，ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在現(xiàn)有65000平方米宇宙線(xiàn)表面陣列下面，增設(shè)了有效面積3400平方米的創(chuàng)新型地下繆子水切倫科夫探測(cè)陣列，用于探測(cè)宇宙線(xiàn)與地球大氣作用產(chǎn)生的繆子。在本項(xiàng)工作中，ASγ實(shí)驗(yàn)組綜合利用地面和地下探測(cè)器陣列的數(shù)據(jù)，將100萬(wàn)億電子伏特以上的宇宙線(xiàn)背景噪聲壓低到百萬(wàn)分之一，從而極大地提高了伽馬射線(xiàn)探測(cè)的靈敏度。這是ASγ實(shí)驗(yàn)近年來(lái)取得系列重大發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)。
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(xiàn)研究所等16個(gè)日方合作單位參與。
