超高能宇宙线从哪来？

这个世纪之谜现破解曙光

陆成宽

2021年03月16日来源：科技日报

利用我国西藏羊八井的ASγ实验阵列，中日两国研究团队在国际上首次发现，距地球2600光年的超新星遗迹SNR G106.3+2.7，发射出了超过100万亿电子伏特的伽马射线。这些伽马射线可能是被超新星遗迹中的激波加速到拍电子伏特（1000万亿电子伏特）的宇宙射线与附近的分子云碰撞产生的。因此，该超新星遗迹成为银河系中一个候选的“拍电子伏特宇宙线加速器”，为解开超高能宇宙射线的起源之谜打开了重要窗口。相关观测结果3月2日在线发表于《自然·天文》上。

将宇宙射线加速到比地球上人造加速器的最高能量还高100倍的拍电子伏特的天体源，被称为“拍电子伏特宇宙线加速器”。这种天体源被认为应该存在于银河系中。但是，由于宇宙射线带电荷，它们在传播的过程中会受到银河系磁场的影响发生偏转，到达地球时的方向已经不再指向源头了，无法通过宇宙线的方向来寻找这种天体源。

“因此，1912年发现宇宙射线以来，超高能宇宙线的起源问题至今未解，是一个世纪之谜。”中国科学院高能物理研究所研究员黄晶说。

幸运的是，宇宙射线在其源头被加速后，可能与附近的分子云发生碰撞，产生中性π介子，随后π介子衰变产生能量约为母体宇宙射线能量十分之一的伽马射线。由于伽马射线不带电荷，沿直线传播，因此观测到的伽马射线到达方向就是该天体源方向，借此可以寻找“拍电子伏特宇宙线加速器”。

判断一个天体源是否是“拍电子伏特宇宙线加速器”，主要有三大依据。“该天体源发出的伽马射线能量是否超过100万亿电子伏特；伽马射线发射区与分子云的位置是否一致；能够排除超高能伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性。”黄晶说。

此前，世界上还没有任何一个实验组找到同时满足以上3个条件的天体。

2014年，中日合作ASγ实验团队在原有的宇宙线表面阵列的地下增设了创新型的地下缪子水切伦科夫探测器，用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。综合利用表面和地下探测器阵列的数据，可以排除99.92%的宇宙线背景噪声，从而大大提高了探测伽马射线的灵敏度。

此次，中日合作团队通过2年的观测，测量到了来自超新星遗迹SNR G106.3+2.7方向的超过100万亿电子伏特的超高能伽马射线，发现这些伽马射线的空间分布与附近分子云的分布接近，同时与这个区域内存在的脉冲星及其风云关联较弱。

黄晶表示，对这些观测结果的一个合理解释是：宇宙射线在超新星遗迹的激波中被加速到拍电子伏特能区，然后与附近的分子云碰撞产生中性π介子，随后π介子衰变产生超高能伽马射线。这个超新星遗迹因此成为银河系中一个“拍电子伏特宇宙线加速器”候选体，为解开超高能宇宙线起源的世纪之谜打开了一个宝贵的窗口。

据介绍，西藏中日合作ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井，始建于1989年，由中国科学院高能物理研究所、国家天文台等国内12个合作单位以及日本东京大学宇宙线研究所等16个日方合作单位参与。