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高海拔宇宙线观测站发现首批“拍电子伏加速器”和迄今最高能量光子

开启“超高能伽马天文学”时代

2020-05-17 高能物理(li)研究所
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[video:20210517a高海拔宇宙线观测站 人类首次发现最高能量1_1]

  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,并记录到能量达1.4拍电子伏(PeV,拍=千万亿)的伽马光子,这是人类迄今观测到的最高能量光子,突破了对银河系粒子加速的传统认知,开启了“超高能伽马天文学”时代。这些发现于5月17日发表在《自然》(Nature)上。

  该研(yan)究(jiu)工(gong)作由中国科学院高能物理研(yan)究(jiu)所牵头的LHAASO国际(ji)合(he)作组(zu)完(wan)成(cheng)。LHAASO尚在(zai)建设中,这次报(bao)道的成(cheng)果是基于已经建成(cheng)的1/2规模探(tan)测(ce)装置在(zai)2020年内 11个(ge)月(yue)的观测(ce)数据。

  科学家此次发现的最(zui)高(gao)能量光(guang)子(zi)来(lai)自天鹅座内(nei)(nei)非常活(huo)跃的恒星形成区,还发现了12个(ge)稳(wen)定伽(jia)马(ma)射线源,光(guang)子(zi)能量一直延伸(shen)到1 PeV附(fu)近,这(zhei)是(shi)位于LHAASO视(shi)场内(nei)(nei)最(zui)明亮的一批(pi)银(yin)河系伽(jia)马(ma)射线源,测(ce)(ce)到的伽(jia)马(ma)光(guang)子(zi)信号高(gao)于背景7倍标准(zhun)偏差(cha)以上,源的位置(zhi)测(ce)(ce)量精度优于0.3°。

  虽然这次使(shi)用的(de)(de)数(shu)据还很有限(xian)(xian)(xian),但所有能(neng)被LHAASO观(guan)测到的(de)(de)源都具有0.1 PeV以(yi)上的(de)(de)伽(jia)马(ma)(ma)辐射(she)(she)(she),也叫“超高(gao)能(neng)伽(jia)马(ma)(ma)辐射(she)(she)(she)”。这表明(ming)银河系(xi)内遍布(bu)拍电子(zi)伏(fu)加速(su)(su)器(PeVatron),而(er)人类(lei)目前在地球上建造(zao)的(de)(de)最大加速(su)(su)器——欧洲(zhou)核子(zi)研究中(zhong)心(xin)的(de)(de)大型强子(zi)对撞(zhuang)机(LHC)只能(neng)将粒(li)子(zi)加速(su)(su)到0.01 PeV。银河系(xi)内的(de)(de)宇宙线加速(su)(su)器存在能(neng)量极限(xian)(xian)(xian)是个“常识”,过去预言(yan)的(de)(de)极限(xian)(xian)(xian)就在PeV附近(jin),从而(er)预言(yan)的(de)(de)伽(jia)马(ma)(ma)射(she)(she)(she)线能(neng)谱在0.1 PeV附近(jin)会有“截断”现象,而(er)LHAASO的(de)(de)结果(guo)完全突破了这个“极限(xian)(xian)(xian)”。

  这些发现开启了“超(chao)(chao)高能(neng)伽马(ma)天(tian)文”观测时代,表(biao)(biao)明年轻的(de)大质量(liang)星团、超(chao)(chao)新星遗(yi)迹、脉冲(chong)星风云等(deng)是银(yin)河系内加(jia)速(su)超(chao)(chao)高能(neng)宇宙线(xian)的(de)最佳候选(xuan)天(tian)体,有助于破解宇宙线(xian)起源这个“世(shi)纪之谜”。LHAASO的(de)研(yan)究结果表(biao)(biao)明,科(ke)学家(jia)们需要重新认识银(yin)河系高能(neng)粒子的(de)产生、传播机制(zhi),进一步研(yan)究极端天(tian)体现象及其相关的(de)物(wu)理过程(cheng),并在极端条件(jian)下检验基本物(wu)理规律。

  LHAASO是以宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)线(xian)观测研究为(wei)核心的(de)(de)国家重(zhong)大科(ke)技基础设(she)施,位于四川省(sheng)稻城(cheng)县海拔(ba)4410米(mi)的(de)(de)海子(zi)(zi)山,占地面积约(yue)1.36平方(fang)(fang)公(gong)(gong)里,是由(you)5195个电磁(ci)粒(li)子(zi)(zi)探(tan)(tan)测器和1188个缪子(zi)(zi)探(tan)(tan)测器组(zu)成(cheng)的(de)(de)一(yi)平方(fang)(fang)公(gong)(gong)里地面簇射粒(li)子(zi)(zi)阵(zhen)列(简称KM2A)、78000平方(fang)(fang)米(mi)水(shui)切伦科(ke)夫(fu)探(tan)(tan)测器、18台广(guang)角切伦科(ke)夫(fu)望(wang)远(yuan)镜交(jiao)错排布组(zu)成(cheng)的(de)(de)复合阵(zhen)列。LHAASO采(cai)用这四种探(tan)(tan)测技术,可(ke)以全方(fang)(fang)位、多变量地测量宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)线(xian)。其核心科(ke)学目标是探(tan)(tan)索高能(neng)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)线(xian)起源(yuan)以及相关的(de)(de)宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)演(yan)化和高能(neng)天(tian)体活动(dong),并寻找(zhao)暗物质;广(guang)泛(fan)搜索宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)中尤其是银河系内(nei)部的(de)(de)伽马(ma)射线(xian)源(yuan),精确测量它们从低于1 TeV(1万亿电子(zi)(zi)伏,也叫“太电子(zi)(zi)伏”)到超过1 PeV的(de)(de)宽广(guang)能(neng)量范(fan)围内(nei)的(de)(de)能(neng)谱;测量更高能(neng)量的(de)(de)弥(mi)散宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)线(xian)的(de)(de)成(cheng)分与能(neng)谱,揭示宇(yu)(yu)(yu)宙(zhou)线(xian)加速(su)和传播的(de)(de)规律,探(tan)(tan)索新物理前沿(yan)。

高海拔宇宙线(xian)观测站(LHAASO,2020/11)

KM2A测得的(de)超高能伽马源天图(tu)(tu)(上)及银道面局部放大图(tu)(tu)(下)

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