高能宇宙線來(lái)自哪里？這是自宇宙線發(fā)現(xiàn)以來(lái)，跨越了整整一個(gè)世紀(jì)的未解之謎，也被美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)列為21世紀(jì)11個(gè)最前沿的天文和物理問(wèn)題之一。而就在最近，西藏羊八井中日合作實(shí)驗(yàn)（ASγ實(shí)驗(yàn)）的最新成果，讓人們離解開這個(gè)世紀(jì)之謎又近了一步。

在這項(xiàng)研究中，科學(xué)家在國(guó)際上首次發(fā)現(xiàn)超高能宇宙線加速器在銀河系中存在的證據(jù)。美國(guó)物理學(xué)會(huì)（APS）評(píng)論，該成果是百年宇宙線起源研究的里程碑。相關(guān)觀測(cè)結(jié)果將于4月5日在美國(guó)《物理評(píng)論快報(bào)》上正式發(fā)表，并被作為高亮點(diǎn)論文加以推薦。

西藏羊八井中日合作實(shí)驗(yàn)表面陣列（中科院高能物理研究所供圖）

銀河里的蛛絲馬跡

宇宙線是來(lái)自宇宙空間的高能粒子流，主要由質(zhì)子和其他原子核組成。能將宇宙線加速到高達(dá)千萬(wàn)億電子伏特（PeV）級(jí)別的天體，被稱為“拍電子伏特宇宙線加速器”（PeVatron），又名超高能宇宙線加速器。

超高能宇宙線加速器代表了銀河系內(nèi)活動(dòng)最為劇烈的天體。通常，根據(jù)理論模型，超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等，都是候選的超高能宇宙線加速器。

由于帶電的高能宇宙線粒子在銀河系傳播的過(guò)程中，運(yùn)動(dòng)方向會(huì)被磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，無(wú)法通過(guò)直接探測(cè)搜尋其源頭方向，于是，科學(xué)家們想到了另一種探測(cè)的手段——高能宇宙線在傳播過(guò)程中會(huì)與星際介質(zhì)碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生能量約為宇宙線母粒子能量十分之一的高能伽馬射線，高能伽馬射線不帶電，沿直線傳播。只要能在銀河系里找到超高能伽馬射線，就能沿著伽馬射線的方向，搜尋到宇宙線的起源。

“超高能伽馬射線就像是超高能宇宙線加速器在銀河系內(nèi)留下的一串串‘足跡’，是它們存在于銀河系的重要證據(jù)?！闭撐淖髡咧?、中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所研究員黃晶告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

2013年，美國(guó)費(fèi)米伽馬望遠(yuǎn)鏡首次發(fā)現(xiàn)質(zhì)子在銀河系中被加速到了十億電子伏特級(jí)別。但直至如今，銀河系中都沒(méi)有任何千萬(wàn)億電子伏特級(jí)別的超高能宇宙線加速器得到觀測(cè)證實(shí)，以至于人們懷疑銀河系中是否真的存在這樣的加速器。

“足跡”追尋者

與十億電子伏特級(jí)別的伽馬射線相比，超高能伽馬射線數(shù)量少，要尋找這樣的“足跡”，無(wú)異于大海撈針，地球大氣乃至宇宙中各種各樣的粒子，無(wú)時(shí)無(wú)刻不在向各類觀測(cè)設(shè)備傳遞噪聲，阻礙著人們的視線。

“超高能伽馬射線只有不到宇宙線的1%，會(huì)被淹沒(méi)在宇宙線背景中，很難抑制宇宙線本底，挑出伽馬射線?！秉S晶說(shuō)。

經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)具備了這種排除干擾、尋找“足跡”的能力。

早在30年多前，1989年，西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)建在了位于海拔4300米的西藏羊八井鎮(zhèn)，1995年被美國(guó)《科學(xué)》雜志列為中國(guó)的25個(gè)科研基地之一。實(shí)驗(yàn)組由中科院高能物理研究所、中科院國(guó)家天文臺(tái)等國(guó)內(nèi)12個(gè)合作單位以及日本東京大學(xué)宇宙線研究所等16個(gè)日方合作單位組成，團(tuán)隊(duì)成員超過(guò)100人。

“此次重要發(fā)現(xiàn)是中日合作雙方 30 年持之以恒、不斷創(chuàng)新、不斷努力的結(jié)果?！?font>中科院高能物理研究所所長(zhǎng)、中科院院士王貽芳說(shuō)。

黃晶介紹，西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)初期，主要經(jīng)費(fèi)和科研工作大部分是由日方承擔(dān)，但近年來(lái)中日雙方不論是經(jīng)費(fèi)還是科研內(nèi)容方面，已經(jīng)基本處于對(duì)等貢獻(xiàn)水平。

2014年，實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在已有的65000平方米宇宙線表面陣列下面，建設(shè)了有效面積3400平方米的地下繆子水切倫科夫探測(cè)陣列，綜合利用地面和地下探測(cè)器陣列的數(shù)據(jù)，實(shí)驗(yàn)組可以將0.1PeV以上的宇宙線背景噪聲壓低到百萬(wàn)分之一，從而極大地提高了伽馬射線探測(cè)的靈敏度?！斑@成為能夠取得此次發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)?！秉S晶說(shuō)。

在國(guó)際合作分工方面，黃晶表示，目前實(shí)驗(yàn)的所有工作不再作具體劃分，從開發(fā)設(shè)計(jì)、建設(shè)運(yùn)行到最后的數(shù)據(jù)重建、物理分析都是中日雙方平行進(jìn)行，既充分合作又有所競(jìng)爭(zhēng)，這種狀態(tài)使得合作組能長(zhǎng)期一直保持世界較高水平并作出了系列領(lǐng)先的科研成果。

我國(guó)西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)地下水切倫科夫探測(cè)器（中科院高能物理研究所供圖）

曙光就在前方

今年3月2日，西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在銀河系中找到了超高能宇宙線加速器的候選天體。他們首次發(fā)現(xiàn)超新星遺跡 SNR G106.3+2.7 方向存在超過(guò)1百萬(wàn)億電子伏特（1 TeV）的伽馬射線，并通過(guò)這些伽馬射線的能量及空間分布特征，證明了SNR G106.3+2.7是目前為止在銀河系中發(fā)現(xiàn)的最可能的超高能宇宙線加速器候選天體。

這次，科學(xué)家再次通過(guò)西藏 ASγ實(shí)驗(yàn)設(shè)備，觀測(cè)到迄今為止最高能量的彌散伽馬射線輻射，給出了超高能彌散伽馬射線在銀河系內(nèi)的空間分布情況。這些超高能伽馬射線的能譜特征與PeV能量宇宙線和銀河系分子云碰撞產(chǎn)生伽馬射線的模型預(yù)言相符。

“ASγ實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了PeV宇宙線在銀盤上的‘足跡’，從實(shí)驗(yàn)上表明超高能宇宙線加速器存在于銀河系內(nèi)?！蹦暇┐髮W(xué)天文系教授王祥玉如是評(píng)價(jià)。

對(duì)于科研團(tuán)隊(duì)來(lái)說(shuō)，此次的觀測(cè)結(jié)果仍有些許遺憾?！拔覀冏畛醯难芯糠较蚴窍Ｍ麑ふ毅y河系內(nèi)存在的超高能宇宙線加速器候選天體，也就是希望這些超高能伽馬射線能指向超新星遺跡、恒星形成區(qū)和銀河系中心的超大質(zhì)量黑洞等天體。但觀測(cè)到的結(jié)果是，最高能量伽馬射線并沒(méi)有指向已知的伽馬射線源，而是集中在銀河系圓盤，沿著銀河系擴(kuò)散開來(lái)?！秉S晶說(shuō)。

那么，解決高能宇宙線起源問(wèn)題的下一步該往哪走？黃晶認(rèn)為，要徹底解決高能宇宙線起源問(wèn)題，還差“臨門一腳”,要完成這“臨門一腳”，一是要開發(fā)更先進(jìn)的、創(chuàng)新型的宇宙線立體探測(cè)技術(shù)，二是要開展6000米超高海拔宇宙線實(shí)驗(yàn)，以降低實(shí)驗(yàn)觀測(cè)閾值并獲得更高質(zhì)量的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

“未來(lái)，高海拔宇宙線觀測(cè)站（LHAASO）等設(shè)備能觀測(cè)更寬能量范圍、更完整的彌散伽馬射線能譜?！蓖跸橛裾f(shuō)。

對(duì)于未來(lái)，黃晶充滿信心：“曙光就在前方，先進(jìn)的觀測(cè)技術(shù)結(jié)合我國(guó)特有的超高海拔優(yōu)勢(shì)，必將讓我國(guó)的宇宙線研究走到最前列?！?/p>

西藏ASγ實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)觀測(cè)到的超高能彌散伽馬射線事例在銀道坐標(biāo)系下的分布（中科院高能物理研究所供圖）

相關(guān)論文消息：https://journals.aps.org/prl/accepted/2207cYd3La91536bf3509f3189e65322ea6e4b7e0



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