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【中国新闻网】中日合作团队在西藏实验发现迄今最高能量宇宙伽玛射线

文章来源:中国新闻网 孙自法   发布时间:2019-07-03  【字号:     】  

  
  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)。中科院高能所  
  中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)3日在北京对外宣布,中日合作西藏asgamma实验团队近日利用中国西藏羊八井asgamma实验阵列发现迄今为止最高能量的宇宙伽玛射线,标志着超高能伽玛射线天文观测进入到100tev以上的观测能段。

原初宇宙线进入地球大气后,与大气中的原子核发生相互作用产生空气簇射的示意图。中科院高能所

  这些宇宙伽玛射线来自蟹状星云方向,能量高达450tev(1tev=10的12次方电子伏特),比此前国际上正式发表的75tev的最高能量高出5倍以上。相关观测结果将于7月下旬作为亮点文章在国际学术期刊《物理评论快报》上发表。

  西藏asgamma实验观测到的最高能量伽玛射线(450tev)的空气簇射在探测器上产生的密度分布。中科院高能所

  西藏羊八井asgamma实验由中科院高能所和日本东京大学宇宙线研究所共同主持。中科院高能所实验团队介绍说,蟹状星云是位于金牛座的著名超新星遗迹,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。这次中日合作实验团队发现了24个100tev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450tev。

  研究人员认为,这些100tev以上的高能光子可能是更高能量的电子与周围宇宙微波背景辐射光子发生“逆康普顿散射”的结果,而超高能电子、正电子则在蟹状星云的脉冲星风云中产生。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电子加速器(加速电子最高能量0.2tev)相比,“蟹状星云”的电子加速能力至少高了上万倍。

  左图:西藏羊八井asgamma实验组利用地下缪子探测器;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。中科院高能所

  科学家指出,伽玛射线光子是电中性的,不受磁场偏转,能直指其产生的源头,而超高能量的伽玛射线又是由高能带电粒子产生的。因此,超高能伽玛射线观测是研究这些极端粒子加速过程及其发生的极端环境的独特途径,是探索极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这些超高能光子能量的分布,研究产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。

中国西藏羊八井asgamma实验(左图:asgamma表面阵列;右图:地下水切伦科夫探测器)。中科院高能所

  西藏asgamma实验位于海拔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做出了一系列重大发现。2014年,中日合作实验团队成员在现有65000平方米宇宙线表面探测阵列下面新增加有效面积4200平方米的地下缪子水切伦科夫探测器,利用这种地下缪子水切伦科夫探测器的数据,能够剔除99.92%的宇宙线背景噪声。合作团队正是凭借地下水切伦科夫缪子探测器,使得西藏羊八井asgamma实验成为100tev以上能区国际上最灵敏的伽玛射线天文台,并因此测得本次100tev伽玛射线,后续的运行还有望发现更多的超高能伽玛射线源。

  据了解,作为西藏羊八井asgamma实验的后续项目,中国正在四川稻城建设大面积高海拔宇宙线观测站(lhaaso),其部分设备已经建成并投入观测运行。和asgamma实验相比,lhaaso的能量范围和灵敏度要高一个数量级以上,将把宇宙线物理和超高能伽马射线天文研究推进到一个新的高度。此外,在空间探测方面,中科院高能所正在牵头申请“探索极端宇宙”exu国际合作大科学计划,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。exu和lhaaso以及中外的其他空间和高山天文台相结合,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。




(责任编辑:侯茜)

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