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西藏ASgamma實驗發現迄今最高能量的宇宙伽瑪射線
2019-07-03|文章来源:粒子天体中心 |【
 
[video:[CCTV朝聞天下]中日合作實驗團隊 發現迄今最高能量宇宙伽瑪射線]

    近日,中日合作西藏ASgamma实验团队利用我国西藏羊八井ASgamma实验阵列发现迄今为止最高能量的宇宙伽玛射线,这些宇宙伽玛射线来自蟹状星云方向,能量高达450 TeV(4.5×10^14电子伏特)(见图1), 比此前国际上正式发表的75TeV的最高能量高出5倍以上。这标志着超高能伽玛射线天文观测进入到100 TeV以上的观测能段。相关观测结果以 “First Detection of Photons with Energy Beyond 100 TeV from an Astrophysical Source”为题,将于7月下旬作为亮点文章在《物理评论快报》上发表。 

图1. 左图:西藏ASgamma实验观测到蟹状星云方向100TeV以上的伽玛射线;右图:美国哈勃望远镜观测的蟹状星云图片(图片来自于NASA) 

   圖2.左圖:原初宇宙線進入地球大氣後,與大氣中的原子核發生相互作用産生空氣簇射的示意圖;右圖:西藏ASgamma實驗觀測到的最高能量伽瑪射線(449TeV)的空氣簇射在探測器上産生的密度分布,其中,黑點表示點陣探測器的位置,帶顔色的圓的面積表示在探測器上觸發的粒子數目密度,圓的顔色從藍到紅表示粒子到達探測器的時間從快到慢(藍色:快,紅色:慢);箭頭所指的前端表示空氣簇射的中心,箭頭的方向表示到來的空氣簇射方向 

    蟹状星云是位于金牛座的著名超新星遗迹(见图1),1054年我国宋朝的天文学家详细记录了该超新星爆发现象,距离地球6500光年左右,其能量来源是位于其中的高速旋转的脉冲星,即蟹状星云脉冲星。蟹状星云在全电磁波段均具有较高的亮度,因此科学家在从射电、光学、X射线直至伽玛射线的整个电磁波段对其进行了详细的观测和研究。但是,随着光子能量的增加,光子流强越来越低,观测也越来越困难。此前,国际上探测到的最高能量的伽玛射线为75TeV,是德国的HEGRA切伦科夫望远镜实验组观测到的。此次中日合作ASgamma实验团队发现了24个100 TeV以上的伽玛射线事例,超出宇宙线背景5.6倍标准偏差,其中能量最高的约为450 TeV(见图2)。

  研究人員認爲,這些100TeV以上的高能光子可能是更高能量的電子與周圍宇宙微波背景輻射光子發生“逆康普頓散射”的結果,而超高能電子、正電子則在蟹狀星雲的脈沖星風雲中産生。由此可以推斷,“蟹狀星雲”是“銀河系內天然的高能粒子加速器”,與目前世界上最大的人工電子加速器(加速電子最高能量0.2TeV)相比,“蟹狀星雲”的電子加速能力至少高了上萬倍。  

   图3. 左:西藏羊八井 ASgamma实验组利用地下缪子探测器,能准确测量宇宙线空气簇射次级粒子中所含缪子数目,用于区分入射的高能宇宙线是质子、重原子核还是高能伽玛射线光子;中图和右图:由于伽玛光子产生的缪子数量远远少于质子和重原子核与空气作用所产生的缪子数量,因此可根据地下缪子探测器探测到的某个事例产生的缪子数量来甄别该事例是伽玛光子事例还是非伽玛光子事例;利用该创新性技术,羊八井ASgamma实验能排除99.92%的非伽玛光子宇宙线事例,从而显著降低它们对高能伽玛光子探测的影响,实现了在 20TeV以上能区的国际最高的伽玛射线探测灵敏度。羊八井ASgamma实验探测到了来自蟹状星云方向的24个高度可靠的100 TeV以上的伽玛射线事例 

  非光子成份的宇宙線是帶電粒子,在銀河系磁場中會發生偏轉,因此它們的抵達方向並不代表其加速源頭的真實位置。伽瑪射線光子是電中性的,不受磁場偏轉,能直指其産生的源頭,而超高能量的伽瑪射線又是由高能帶電粒子産生的。因此,超高能伽瑪射線觀測是研究這些極端粒子加速過程及其發生的極端環境的獨特途徑,是探索極端宇宙的重要探針之一。了解伽瑪光子所能達到的最高能量以及這些超高能光子能量的分布,研究産生超高能伽瑪射線光子的各種可能天體,有助于揭示宇宙中極端天體的性質,以及其中的極端天體物理過程和規律。

图4: 我国西藏羊八井ASγ实验(左图:ASγ表面阵列;右图:地下水切伦科夫探测器) 

  西藏羊八井ASgamma實驗位于海拔4300米的西藏羊八井,1990年一期陣列建成並開始運行,後來多次升級改造,在銀河系宇宙線的探測研究方面做出了一系列重大發現。2014年,合作組成員在現有65000平方米宇宙線表面探測陣列下面新增加有效面積4200平方米的地下缪子水切倫科夫探測器(見圖4),利用這種地下缪子水切倫科夫探測器的數據,能夠剔除99.92%的宇宙線背景噪聲(見圖3)。合作組正是憑借地下水切倫科夫缪子探測器,使得西藏羊八井ASgamma實驗成爲100TeV以上能區國際上最靈敏的伽瑪射線天文台,並因此測得本次100TeV伽瑪射線,後續的運行還有望發現更多的超高能伽瑪射線源。

  作爲西藏羊八井ASgamma實驗的後續項目,我國正在四川稻城建設大面積高海拔宇宙線觀測站LHAASO,其部分設備已經建成並投入觀測運行。和ASgamma實驗相比,LHAASO的能量範圍和靈敏度要高一個數量級以上,將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進到一個新的高度。此外,在空間探測方面,高能所正在牽頭申請“探索極端宇宙”EXU國際合作大科學計劃,其綜合性能比現有的同類空間探測設備將有大幅度的提升,宇宙線物理和高能伽馬射線天文也是該計劃的主要科學目標。EXU和LHAASO以及國內外的其他空間和高山天文台相結合,將對宇宙極端天體和過程開展全天空、全時域、多波段和多信使的立體觀測研究,預期實施之後將取得更多和更重大的成果。

  西藏羊八井ASgamma实验由中科院高能物理研究所和日本东京大学宇宙线研究所共同主持。此次重要发现是中日合作双方30年持之以恒,不断创新,不断努力的结果。该项目得到中国国家自然科学基金委员会、科学技术部、中國科學院及日本文部省、学术振兴会(JSPS)等機構的支持。实验在西藏30年的建设与运行得到了西藏自治区各级政府及西藏大学的大力支持。


 
 
擴展閱讀:
·【中國新聞網】中日合作團隊在西藏實驗發現迄今最高能量宇宙伽瑪射線
·【科學網】西藏羊八井實驗發現迄今最高能量宇宙伽瑪射線
·【新华社】科学家发现迄今最高能量的宇宙伽马射线 有助于揭示宇宙中极端天体性质
·【北京衛視】西藏探測設備觀測到迄今爲止能量最高的光子
·【中國青年報】科學家發現迄今最高能量宇宙伽瑪射線
·【光明日報】中日科學家發現迄今最高能量宇宙伽馬射線
·【中國科學報】宇宙“超級加速器”現身
·【人民日報】中日科學家合作發現迄今最高能量的宇宙伽馬射線
·【經濟日報】科學家發現迄今最高能量宇宙伽馬射線
·【新华图片】科学家发现迄今最高能量的宇宙伽马射线 有助于揭示宇宙中极端天体性质
 
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