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高海拔宇宙線觀測站發現首批“拍電子伏加速器”和迄今最高能量光子

開啟“超高能伽馬天文學”時代

2021-05-17 高能物理研究所
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[video:20210517a高海拔宇宙線觀測站 人類首次發現最高能量1_1]

  國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站”(LHAASO)在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器,并記錄到能量達1.4拍電子伏(PeV,拍=千萬億)的伽馬光子,這是人類迄今觀測到的最高能量光子,突破了對銀河系粒子加速的傳統認知,開啟了“超高能伽馬天文學”時代。這些發現于5月17日發表在《自然》(Nature)上。

  該研究工作由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。LHAASO尚在建設中,這次報道的成果是基于已經建成的1/2規模探測裝置在2020年內 11個月的觀測數據。

  科學家此次發現的最高能量光子來自天鵝座內非?;钴S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 PeV附近,這是位于LHAASO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于背景7倍標準偏差以上,源的位置測量精度優于0.3°。

  雖然這次使用的數據還很有限,但所有能被LHAASO觀測到的源都具有0.1 PeV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(PeVatron),而人類目前在地球上建造的最大加速器——歐洲核子研究中心的大型強子對撞機(LHC)只能將粒子加速到0.01 PeV。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PeV附近,從而預言的伽馬射線能譜在0.1 PeV附近會有“截斷”現象,而LHAASO的結果完全突破了這個“極限”。

  這些發現開啟了“超高能伽馬天文”觀測時代,表明年輕的大質量星團、超新星遺跡、脈沖星風云等是銀河系內加速超高能宇宙線的最佳候選天體,有助于破解宇宙線起源這個“世紀之謎”。LHAASO的研究結果表明,科學家們需要重新認識銀河系高能粒子的產生、傳播機制,進一步研究極端天體現象及其相關的物理過程,并在極端條件下檢驗基本物理規律。

  LHAASO是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施,位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山,占地面積約1.36平方公里,是由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列(簡稱KM2A)、78000平方米水切倫科夫探測器、18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的復合陣列。LHAASO采用這四種探測技術,可以全方位、多變量地測量宇宙線。其核心科學目標是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化和高能天體活動,并尋找暗物質;廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線源,精確測量它們從低于1 TeV(1萬億電子伏,也叫“太電子伏”)到超過1 PeV的寬廣能量范圍內的能譜;測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜,揭示宇宙線加速和傳播的規律,探索新物理前沿。

高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,2020/11)

KM2A測得的超高能伽馬源天圖(上)及銀道面局部放大圖(下)

打印 責任編輯:任霄鵬

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