开启“超高能伽马天文”观测时代/超出了银河系的范围

   红星新闻记者从中国科学院高能物理研究所获悉,位于四川稻城县的国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器,并记录到最高1.4拍电子伏伽马光子(拍=千万亿),这是人类观测到的最高能量光子,改变了人类对银河系的传统认知,开启“超高能伽马天文学”的时代。这些发现将于今日(17日)发表在《自然》(《Nature》)杂志。该研究工作由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成。

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    ▲LHAASO全景航拍图


    成果:发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子


    据了解,高海拔宇宙线观测站尚在建设中,此次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置、2020年内11个月的观测数据。科学家们发现了能量1.4拍电子伏的光子,来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区。还发现了12个稳定伽马射线源,能量一直延伸到1拍电子伏附近,这是位于LHAASO视场内银河系内最明亮的一批伽马射线源,测到的伽马光子信号高于周围背景7倍标准偏差以上,源的位置测量精度优于0.3°。


    “这次观测积累的数据还很有限,但所有能被LHAASO观测到的源,它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射,也叫‘超高能伽马辐射’。”中国科学院高能物理研究所粒子天体物理中心研究员、国家重大科技基础设施LHAASO项目经理兼首席科学家曹臻表示,这表明银河系内遍布拍电子伏加速器,而人类在地球上建造的最大加速器(欧洲核子研究中心的大型强子对撞机LHC)只能将粒子加速到0.01拍电子伏。银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”,过去预言的极限就在0.1拍电子伏附近,从而预言的伽马射线能谱在0.1拍电子伏以上有“截断”现象。LHAASO的发现完全突破了这个“极限”,大多数源没有截断。


    这些发现开启“超高能伽马天文”观测时代,表明以天鹅座恒星形成区、蟹状星云等为代表的非热辐射天体,即年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系超高能宇宙线起源的最佳候选天体,有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。科学家们也需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制,探索极端天体现象及其相关的物理过程并在极端条件下检验基本物理规律。


    ▲地面簇射粒子阵列KM2A


    意义:开启“超高能伽马天文学”时代,有望成为解开“世纪之谜”突破口


    曹臻表示,LHAASO此次科学成果发现在宇宙线起源的研究进程上具有里程碑意义,其科学突破在于:


    揭示了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1PeV的宇宙加速器。在这次观测中,LHAASO所能够有效观测到的伽马射线源中(统计观测中通常要求5倍标准偏差的超出视为有效观测),几乎所有的天体都具有0.1PeV以上的超高能伽马辐射,说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量超过了1PeV。观测到的伽马射线能谱在0.1PeV以上没有明显截断,表明银河系宇宙线加速源不存在PeV以下的加速极限。


    “此次研究成果突破了当前流行的理论模型。”他说。理论认为拍电子伏特(PeV)能量的宇宙线在加速源区与周围气体作用下可以产生0.1PeV的伽马射线,探测超过0.1PeV的伽马射线是寻找和认证PeV宇宙线源的主要手段之一。而之前国际上主流探测器工作在0.1PeV能量以下,无法确认PeV宇宙线加速源的存在。LHAASO发现了银河系内大量存在的PeV宇宙加速源,它们都是超高能宇宙线源的候选者,这就向着解决宇宙线起源这一科学难题迈出了至关重要的一步。


    ▲广角切伦科夫望远镜(WFCTA)


    同时,此次研究成果开启“超高能伽马天文学”时代。


    曹臻表示,1989年,亚利桑那州惠普尔天文台的实验组成功发现了首个具有0.1TeV以上伽马辐射的天体,标志着“甚高能”伽马射线天文学时代的开启。在随后的30年里,已经发现超过两百多个“甚高能”伽马射线源。直到2019年人类才探测到首个具有“超高能”伽马射线辐射的天体。出人意料的是,仅基于1/2规模的LHAASO不到1年的观测数据,就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。


    “随着LHAASO的建成和持续不断的数据积累,可以预见这一探索极端宇宙天体物理现象的最高能量天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知‘超高能宇宙’。”曹臻告诉记者。由于宇宙大爆炸产生的背景辐射无所不在,它们会吸收高于1PeV的伽马射线,超出了银河系的范围,即使它们在那里产生出来,我们也接受不到,由此可见这个观测窗口的特殊意义。


    此外,此次研究成果也是能量超过1PeV的伽马射线光子首现于天鹅座区域和蟹状星云。PeV光子的探测是伽马天文学的一座里程碑,承载着伽马天文界的梦想,长期以来一直是伽马天文发展的强大驱动力。事实上,上个世纪80年代伽马天文学爆发式发展一个重要的诱因就是挑战PeV光子极限。天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮区域,拥有多个具有大量大质量恒星的星团,大质量恒星的寿命只有百万年的量级,因此星团内部充满大量恒星生生死死的剧烈活动,具有复杂的强激波环境,是理想的宇宙线加速场所,被称为“粒子天体物理实验室”。


    “LHAASO在天鹅座恒星形成区首次发现PeV伽马光子,使得这个本来就备受关注的区域成为超高能宇宙线源的最佳候选者,也就自然是LHAASO以及相关的多波段观测、乃至于多信使天文学的巨大热门,有望成为解开‘世纪之谜’的突破口。”曹臻表示,历史上对蟹状星云大量的观测研究,使之成为几乎唯一具有清晰辐射机制的标准伽马射线源,跨越22个量级的光谱精确测量清楚地表明其电子加速器的标志性特征。然而,LHAASO测到的超高能光谱,特别是PeV能量的光子,严重挑战了这个高能天体物理的“标准模型”,甚至于对更加基本的电子加速理论提出了挑战。


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    ▲电磁粒子探测器(ED)


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    据了解,高海拔宇宙线观测站(LHAASO)是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施,位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,占地面积约1.36平方公里,由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列(简称KM2A)、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成复合阵列,采用四种探测技术全方位、多变量测量宇宙线。


    曹臻说,高海拔宇宙线观测站的核心科学目标就是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和暗物质的研究。广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源,精确测量它们从低于1TeV(1万亿电子伏,也叫“太电子伏”)到超过1PeV(1000万亿电子伏,也叫“拍电子伏”)宽广能量范围内的能谱,测量更高能量的弥散宇宙线的成份与能谱,揭示宇宙线产生、加速和传播的规律,探索新物理前沿。


    他介绍,LHAASO的技术创新在于:开发了远距时钟同步技术,确保整个阵列中每个探测器同步精度可达亚纳秒水平;在高速前端信号数字化、高速数据传输、大型计算集群协助下实现了多种触发模式并行等尖端技术要求;首次大规模使用硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测技术,大大提高伽马射线测量的空间分辨率,实现更低的探测阈能,使人类在探索更深宇宙、更高能量的射线等方面,都达到前所未有的水平,为开展大气、环境、空间天气等前沿科学交叉研究提供了重要实验平台,是多边国际合作共同开展高水平研究的科学基地。


    据了解,目前在建的LHAASO是我国第三代高山宇宙线实验。高山实验是宇宙线观测研究中能够充分利用大气作为探测介质、在地面进行观测的重要手段,探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。对于超高能量的宇宙线,这是唯一的观测手段。


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