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西藏ASgamma實驗發現迄今最高能量宇宙伽瑪射線

文章來源:高能物理研究所   發布時間:2019-07-03  【字號:     】  

[video:20190704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實驗團隊利用我國西藏羊八井ASgamma實驗陣列發現迄今爲止最高能量的宇宙伽瑪射線,這些宇宙伽瑪射線來自蟹狀星雲方向,能量高達450 TeV4.5×1014電子伏特)(見圖1),比此前國際上正式發表的75TeV的最高能量高出5倍以上。這標志著超高能伽瑪射線天文觀測進入到100 TeV以上的觀測能段。相關觀測結果以First Detection of Photons with Energy Beyond 100 TeV from an Astrophysical Source 爲題,將于7月下旬作爲亮點文章在《物理評論快報》上發表。

  蟹狀星雲是位于金牛座的著名超新星遺迹(見圖1),1054年我國宋朝的天文學家詳細記錄了該超新星爆發現象,距離地球6500光年左右,其能量來源是位于其中的高速旋轉的脈沖星,即蟹狀星雲脈沖星。蟹狀星雲在全電磁波段均具有較高的亮度,因此科學家從射電、光學、X射線直至伽瑪射線的整個電磁波段對其進行了詳細的觀測和研究。但是,隨著光子能量的增加,光子流強越來越低,觀測也越來越困難。此前,國際上探測到的最高能量的伽瑪射線爲75TeV,是德國的HEGRA切倫科夫望遠鏡實驗組觀測到的。此次中日合作ASgamma實驗團隊發現了24100 TeV以上的伽瑪射線事例,超出宇宙線背景5.6倍標准偏差,其中能量最高的約爲450 TeV(見圖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子與周宇宙微波背景射光子逆康普散射果,而超高能子、正在蟹狀星雲的脈沖星風雲生。由此可以推断,“蟹状星云”是“银河系内天然的高能粒子加速器”,与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,“蟹状星云”的電子加速能力至少高了上万倍。

  非光子成分的宇宙线是带電粒子,在银河系磁场中会發生偏转,因此它们的抵达方向并不代表其加速源头的真实位置。伽玛射线光子是電中性的,不受磁场偏转,能直指其産生的源头,而超高能量的伽玛射线又是由高能带電粒子産生的。因此,超高能伽玛射线观测是研究這些极端粒子加速过程及其發生的极端环境的独特途径,是探索極端宇宙的重要探针之一。了解伽玛光子所能达到的最高能量以及這些超高能光子能量的分布,研究産生超高能伽玛射线光子的各种可能天体,有助于揭示宇宙中极端天体的性质,以及其中的极端天体物理过程和规律。

  西藏羊八井ASgamma實驗位于海拔4300米的西藏羊八井,1990年一期阵列建成并开始运行,后来多次升级改造,在银河系宇宙线的探测研究方面取得一系列重大發现。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伦科夫探测器(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%的宇宙线背景噪声(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伽玛射线,后续的运行还有望發现更多的超高能伽玛射线源。

  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的能量范圍和灵敏度要高一個数量级以上,将把宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一個新的高度。此外,在空间探测方面,高能所正在牵头申请探索極端宇宙”EXU國際合作大科学计划,其综合性能比现有的同类空间探测设备将有大幅度的提升,宇宙线物理和高能伽马射线天文也是该计划的主要科学目标。EXULHAASO以及国内外的其他空间和高山天文台相結合,将对宇宙极端天体和过程开展全天空、全时域、多波段和多信使的立体观测研究,预期实施之后将取得更多和更重大的成果。

  西藏羊八井ASgamma实验由中國科學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。此次發现是中日合作双方共同努力的結果。该项目得到中国国家自然科学基金委员会、科学技术部、中科院及日本文部省、学术振兴会(JSPS)等機構的支持。實驗在西藏30年的建設與運行得到了西藏自治區各級政府及西藏大學的大力支持。

 

  1. 左圖:西藏ASgamma实验观测到蟹状星云方向100TeV以上的伽玛射线;右圖:美国哈勃望远镜观测的蟹状星云圖片(圖片来自于NASA)。

    2. 左圖:原初宇宙线进入地球大气后,与大气中的原子核發生相互作用産生空气簇射的示意圖;右圖:西藏ASgamma實驗觀測到的最高能量伽瑪射線(450TeV)的空气簇射在探测器上産生的密度分布,其中,黑点表示点阵探测器的位置,带颜色的圆的面积表示在探测器上触發的粒子数目密度,圆的颜色从蓝到红表示粒子到达探测器的时间从快到慢(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。

 

  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;中圖和右圖:由于伽玛光子産生的缪子数量远远少于质子和重原子核与空气作用所産生的缪子数量,因此可根据地下缪子探测器探测到的某個事例産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實驗能排除99.92%的非伽瑪光子宇宙線事例,從而顯著降低它們對高能伽瑪光子探測的影響,實現了在20TeV以上能區的國際最高的伽瑪射線探測靈敏度。羊八井ASgamma實驗探測到了來自蟹狀星雲方向的24個高度可靠的100 TeV以上的伽瑪射線事例。

4. 我國西藏羊八井ASgamma实验(左圖:ASgamma表面阵列;右圖:地下水切伦科夫探测器)




(責任編輯:葉瑞優)

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