看,宇宙线在银河系内留下的串串足迹

防止损失,电梯直达安全岛。

报告人刘亚东A

资料来源:知识分子

作家:辛玲

据中国科学院高能物理研究所研究员黄晶介绍,ASγ实验发现伽马射线是宇宙线在银河系中留下的一系列足迹,是PeVatron在银河系中广泛存在的重要证据。

从1911年到1913年,年轻的奥地利物理学家维克多·赫斯(VictorHess)利用气球和附着的电离室装置,证明了当时人们在地球表面观察到的神秘放射线,不是来自脚下的地球,而是来自宇宙的透射性放射线。这种高能辐射最初被命名为赫斯辐射,之后被称为宇宙辐射,在世界范围内引起了很大的研究兴趣。

一百多年后的今天,我们仍然无法准确回答宇宙射线的基本问题:这些宇宙空间中最高能量的颗粒来自哪些天体,它们是如何产生的?

近日,中日科学家与西藏羊八井合作,使我们更接近回答这些问题。

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赫斯因发现能穿透宇宙的宇宙射线而获得诺贝尔物理学奖,并致力于研究宇宙射线对人体的影响。然而,他的发现给我们带来的问题远远多于答案。

一百多年后的今天,我们仍然无法准确回答宇宙射线的基本问题:这些宇宙空间中最高能量的颗粒来自哪些天体,它们是如何产生的?

最近,中日合作西藏ASγ实验的最新工作,大大推进了宇宙射线研究。根据即将发表的美国《物理评论快报》的论文,两国科学家在银河系,其中最高能量接近1000兆电子伏特(即1015eV或1PeV),这是PeV宇宙线加速器在银河系中存在的第一个观测证据。

ASγ的结果清楚地证实了长期存在的理论猜测,即银河系中存在将质子加速到PeV能量级的机制。这个发现很吸引人,可以说它让宇宙线的研究更加复杂和有趣。密歇根理工大学颗粒物理教授、美墨合作高海拔切伦科夫天文台(HAWC)实验发言人PetraHuentemeyer告诉《知识分子》。Huentemeyer没有参与这项研究。

西藏ASγ实验小组观察到的超高能量扩散伽马射线(黄点),以及银道坐标系下的分布情况。这种超高能量扩散伽马射线,能量在400TeV至1PeV之间,表现出向银盘(图中水平中线)集中分布的特点。灰影区是ASγ实验中无法观察到的区域。背景色轮廓显示了氢原子在银河系坐标中的分布。

来源:https://lambda.gsfc.nasa.gov/product/foreground/fg_hi4pi_get.cfm。

在银河系中寻找超级粒子加速器。

宇宙射线是来自宇宙空间的高能粒子流,主要由质子(氢原子核)和其他原子核(氦原子核、铁原子核等)构成。这些粒子的能量分布广泛,最高可达1020eV,远远超过目前人工粒子加速器实验的1012-1013eV。

直接观察宇宙线的一大难点是,带电粒子在银河系飞行时会受到磁场的影响,从而使运动方向发生偏差,到达地球时早已无法找到其真正的源头方向。

幸运的是,当宇宙线向外传播时,它会与星际介质碰撞,产生能量约为宇宙线母粒子能量的十分之一的高能量伽马射线。伽马射线不带电,沿直线传播,成为科学家研究宇宙线的重要手段。

电中性伽马射线成为宇宙线研究的重要起点(MasahiroTeshima@ICRC2011,中国科学院高能所黄晶)

根据理论模型,银河系中的某些天体,如超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞,可能会将宇宙射线颗粒加速到PeV的高能量。能够将宇宙线加速到这个能量级的天体,被称为拍摄电子伏特宇宙线加速器(PeVatron)。不幸的是,由于宇宙背景噪音太大,探测器不够灵敏,科学家们无法通过实际观察确认PeVatron的存在。

Huentemeyer说:ASγ的实验结果非常及时,为PeVatron的研究增加了一个关键线索。尽管HESS望远镜在2016年发现了来自人马座A的PeVatron候选人,但她自己所在的HAWC天文台也在去年发布了几个超高能量伽马射线源,但是ASγ在这些能量区域发现了弥散的伽马射线辐射,而且离以前发现的伽马射线源都很远,这还是第一次。

假如把PeV能量级的宇宙射线比作恐龙,那么这次ASγ检测到的亚PeV级伽马射线就是恐龙在银河系中留下的一系列足迹,是PeVatron在银河系中广泛存在的重要证据。中国科学院高能物理研究员、ASγ实验中方首席科学家黄晶在4月2日下午举行的记者招待会上说。我们的工作表明,PeVatron产生的宇宙线被困在星系磁场上已有数百万年,形成了一个宇宙线池。宇宙线和星际物质相互作用,产生高能量伽马射线。

中国科学院高能物理研究所研究员张双南认为,科学界对PeVatron存在的猜测由来已久,所以这一发现并非出乎意料。ASγ实验的意义在于首次观察到这些PeVatron存在于银河系的证据。

张双南说:这一观测结果本身就是一个重大突破。

二是检测的关键。

尽管科学家们知道电中性伽马射线可以用来反推宇宙线的来源,但是由于数量有限,伽马射线实际上很难检测到,经常被淹没在嘈杂的宇宙线背景中。

在海拔4300米的西藏羊八井中,ASγ实验的中日科学家可以捕捉到更多的伽马射线,但宇宙线也更多。经过仔细分析,黄晶和他的同事发现,他们可以使用一种叫缪子的基本粒子来区分到达探测器的宇宙线和伽马射线。

在穿透大气层的过程中,宇宙线产生的苗子比伽马射线产生的苗子多几十倍。如果能准确测量苗子的数量,伽马射线可以从宇宙线背景中筛选出来。

(左)宇宙线和伽马射线的区别;(右)伽马射线(中国科学院高能物理学院黄晶)可以通过对探测器收到的苗子计数来选择。

2014年ASγ实验运行24年后,中日双方对探测器进行了重大升级:在现有6万多平方米的宇宙线表面阵列下,增加了有效面积3400平方米的地下水切伦科夫缪子探测阵列。这些缪子探测器位于地下2.5米深处,由160个直径为20英寸的光电倍增管组成。

西藏羊八井ASγ实验(左:ASγ表面阵列;右:地下水切伦科夫缪子探测器)

黄晶说:利用这些自主开发的缪子探测器,我们首次准确地测量了次级宇宙线中所含的缪子,将其背景噪声压低到百万分之一,从而大大提高了伽马射线探测的灵敏度。近几年来,ASγ实验得到了一系列重大发现。

在1000多万个案例中,中日科学家最终筛选出38个苗子数量较少的案例,并将其来源确定为超高能量伽马射线。利用空间分布和能谱分布的特点,确定这些伽马射线只能来自宇宙射线,而不能来自其。

在中国科学院高能物理学院新闻发布会上,来自中日的科学家和官员代表衷心祝贺这一重大发现。

中国科学院高能物理所所长王贻芳说:这一发现是中日合作30年持之以恒,不断创新,不断努力的结果。

ASγ实验组由中国科学院高能物理研究所、中国科学院国家天文台等12家国内合作机构和日本东京大学宇宙线研究所等16家日本合作机构组成。该项目得到中国科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院、日本文部省、日本学术振兴会(JSPS)、西藏自治区各级政府和西藏大学等长期支持。

第三,宇宙线研究的下一步:确定相应的天体来源。

这次ASγ实验发现银盘面扩散伽马射线源的能量和位置,但没有指出这些伽马射线是从哪个天体发出的。

张双南说:接下来的工作需要探测更多的伽马射线源,并确认相应的天体来源。

目前,中国科学院高能物理研究所已将ASγ实验的具体运行交付给国家天文台,以便更好地关注中国下一代宇宙线研究装置——高海拔宇宙线观测站的建设和运行。

LHAASO位于四川省稻城县海拔4410米的海子山。它是世界上类似设备中灵敏度最高的宇宙线探测器,由5000多个电磁颗粒探测器、数千个缪子探测器、78000平方米水切伦科夫探测器和12个广角切伦科夫望远镜组成。

LHAASO作为羊八井实验的继承人,其有效探测面积约为羊八井的100倍,即LHAASO仅需3-4天即可获得羊八井实验一年的数据量。

据我所知,更多关于PeVatron的研究成果将很快公布,尤其是LHAASO合作组的研究。Huentemeyer说,我也期待计划中的宇宙线实验,如欧洲切仑科夫望远镜阵列(CTA)和南美南部广域伽玛射线天文台(SWGO)会发现更多的PeVatron,并准确测量其射线,以便更好地了解这些宇宙极端地区的粒子加速机制和银河系的能量含量。

有关文献:

Firstdetectionofsub-PeVdiffusegammaraysfromtheGalacticdisk:EvidenceforubiquitousgalacticcosmicraysbeyondPevenergies

https://journals.aps.org/prl/accepted/2207cYd3La91536bf3509f3189e65322ea6e4b7e0

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