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中國高海拔宇宙線觀測站發現最高能量光子

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2021-05-17 11:25 | 稿件來源:人民日報客戶端

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  由中國科學院高能物理研究所牽頭的中國高海拔宇宙線觀測站(LHAASO 拉索)國際合作組17日在北京宣布,拉索在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器,並記錄到1.4拍電子伏的伽馬光子(拍=千萬億),這是人類觀測到的最高能量光子,突破了人類對銀河系粒子加速的傳統認知,開啟了 “超高能伽馬天文學”的時代。

  該成果於北京時間2021年5月17日發表在《Nature》(《自然》)。

  發現表明銀河系內遍布‘拍電子伏加速器’

  高海拔宇宙線觀測站是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施,位於四川省稻城縣海拔4410米的海子山。其目前尚在建設中,這次報道的成果是基於已經建成的1/2規模探測裝置,在2020年內 11個月的觀測數據。

  “發現最高能量的光子來自天鵝座內非常活躍的恒星形成區,還發現了12個穩定伽馬射線源,光子能量一直延伸到1 拍電子伏附近。”拉索首席科學家、中國科學院高能所研究員曹臻說,“這是位於拉索視場內最明亮的一批銀河系伽馬射線源,測到的伽馬光子信號高於背景7倍標準偏差以上,源的位置測量精度優於0.3°。”

  曹臻表示,這次觀測積累的數據還很有限,但所有能被拉索觀測到的源,它們都具有0.1拍電子伏以上的伽馬輻射,也叫“超高能伽馬輻射”。“這表明銀河系內遍布拍電子伏加速器,而人類在地球上建造的最大加速器(歐洲核子研究中心的LHC)只能將粒子加速到0.01拍電子伏。”

  銀河系內的宇宙線加速器存在能量極限是個“常識”,過去預言的極限就在拍電子伏附近,從而預言的伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近會有“截斷”現象,LHAASO的結果完全突破了這個“極限”。

  拉索國際合作組的科學協調人陳松戰研究員說:“這些發現表明,年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈衝星風雲等是銀河系內加速超高能宇宙線的最佳候選天體。”

  同時,曹臻說,科學家們也需要重新認識銀河系高能粒子的產生、傳播機制,探索極端天體現象及其相關的物理過程並在極端條件下檢驗基本物理規律。

  取得多項科學突破,意義重大

  “拍電子伏宇宙加速器”周圍產生的“超高能伽馬光子”信號非常弱,即便是天空最明亮且被稱為“伽馬天文標準燭光”的蟹狀星雲,發射出來的能量超過1拍電子伏的光子在一年內落在一平方公裏的面積上也就1到2個,而這1到2個光子還被淹沒在幾萬個通常的宇宙線事例之中。

  “拉索的平方公裏探測陣列內的1188個繆子探測器專門用於排除非光子信號,使之成為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測器。”高海拔宇宙線觀測站建設項目副經理何會海研究員說,借助這前所未有的靈敏度,1/2規模的地面簇射粒子陣列僅用了11個月就探測到來自蟹狀星雲約1拍電子伏的伽馬光子。

  科研人員表示,拉索此次科學成果發現在宇宙線起源的研究進程上具有裏程碑意義。

  曹臻說:“拉索發現了銀河系內大量存在的拍電子伏宇宙加速源,它們都是超高能宇宙線源的候選者,這就向著解決宇宙線起源這一科學難題邁出了至關重要的一步。”

  1989年,亞利桑那州惠普爾天文台成功發現了首個具有0.1太電子伏以上伽馬輻射的天體,標誌著“甚高能”伽馬射線天文學時代的開啟。在隨後的30年裏,已經發現超過兩百多個“甚高能”伽馬射線源。直到2019年,人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。出人意料的是,僅基於1/2陣列不到1年的觀測數據,拉索就將“超高能”伽馬射線源數量提升到了12個。

  “拉索的此次發現開啟了‘超高能伽馬天文學’時代,隨著拉索的建成和持續不斷的數據積累,可以預見這一探索極端天體物理現象的最高能量天文學研究將給我們展現一個充滿新奇現象的未知‘超高能宇宙’”曹臻說。

  另外,這次也是科研人員首次在天鵝座區域和蟹狀星雲觀測到能量超過1拍電子伏的伽馬射線光子。

  天鵝座恒星形成區是銀河系在北天區最亮區域,擁有多個大質量恒星星團,大質量恒星的壽命只有幾百萬年,因此星團內部充滿了恒星生生死死的劇烈活動,具有復雜的強激波環境,是理想的宇宙線加速場所,被稱為“粒子天體物理實驗室”。拉索在天鵝座恒星形成區首次發現拍電子伏伽馬光子,使得這個本來就備受關註的區域成為研究超高能宇宙線源的最佳區域,有望成為解開“世紀之謎”的突破口。

  建成後,中國有望在宇宙線研究領域實現全球領跑

  中國的宇宙線實驗研究經歷了三個階段,目前在建的拉索是第三代高山宇宙線實驗室。

  曹臻介紹說,高山實驗能夠充分利用大氣作為探測介質,在地面進行觀測,探測器規模可遠大於大氣層外的天基探測器。對於超高能量的宇宙線,這是唯一的觀測手段。

  拉索的主體工程於2017年開始建設,2019年4月完成1/4的規模建設並投入科學運行,邊建設、邊運行。2020年1月完成了1/2規模的建設並投入運行,同年12月完成3/4規模並投入運行。預計2021年底將全部建成。

  何會海認為,拉索項目最大的創新之處,就是把好幾種探測技術結合在一起。“此前,在宇宙線研究領域裏,一般一個實驗就使用一種探測技術。這種單一探測技術的弊端是只能測一種東西。在拉索實驗裏,我們把4種探測器放在一起,共同來測量同一個事例,測完之後把所有的變量綜合起來分析,就可以做出非常精細的測量。”

  此外,拉索還開發了遠距時鐘同步技術,確保整個陣列的每個探測器同步精度可達亞納秒水平。同時,拉索還首次大規模使用矽光電管、超大光敏面積微通道板光電倍增管等先進探測技術,大大提高了伽馬射線測量的空間分辨率,使人類在探索更深的宇宙、更高能量的射線等方面,達到前所未有的水平。

  “目前,項目已獲得國際同行高度關註和認可,俄羅斯、瑞士、波蘭等國科學家希望把設備搬到這裏,一些國際上代表性實驗組也表達了合作及聯合觀測的願望。拉索建成後,中國有望在宇宙線研究領域實現全球領跑。”曹臻說。

【編輯:qiuzhibin】

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