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高海拔宇宙线观测站发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子开启“超高能伽马天文学”时代
2021-05-14|文章来源:粒子天体物理中心 |【
 

  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拍电子伏的伽马光子(拍=千万亿),这是人类观测到的最高能量光子,突破了人类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。这些发现将于2021年5月17日发表在《Nature》(自然)。该研究工作由彩神app下载网址牵头的LHAASO国际合作组完成。

  高海拔宇宙线观测站尚在建设中,这次报道的成果是基于已经建成的1/2规模探测装置,在2020年内 11个月的观测数据。科学家发现最高能量的光子来自天鹅座内非常活跃的恒星形成区,还发现了12个稳定伽马射线源,光子能量一直延伸到1 拍电子伏附近,这是位于LHAASO视场内最明亮的一批银河系伽马射线源,测到的伽马光子信号高于背景7倍标准偏差以上,源的位置测量精度优于0.3°。虽然这次使用的数据还很有限,但所有能被LHAASO观测到的源,它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射,也叫“超高能伽马辐射”。这表明银河系内遍布拍电子伏加速器,而人类在地球上建造的最大加速器(欧洲核子研究中心的LHC)只能将粒子加速到0.01拍电子伏。银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“常识”,过去预言的极限就在拍电子伏附近,从而预言的伽马射线能谱在0.1 拍电子伏附近会有“截断”现象,LHAASO的结果完全突破了这个“极限”。这些发现开启了 “超高能伽马天文”观测时代,表明年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体,有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。 LHAASO的结果表明,科学家们需要重新认识银河系高能粒子的产生、传播机制,进一步研究极端天体现象及其相关的物理过程,并在极端条件下检验基本物理规律。

  背景资料:

  高海拔宇宙线观测站及其核心科学目标

  高海拔宇宙线观测站(LHAASO)是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施,位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,占地面积约1.36平方公里,是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列(简称KM2A)、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。LHAASO采用这四种探测技术,可以全方位、多变量地测量宇宙线。

  高海拔宇宙线观测站的核心科学目标是:探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体活动,并寻找暗物质;广泛搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源,精确测量它们从低于1TeV(1万亿电子伏,也叫“太电子伏”)到超过1 PeV(1000万亿电子伏,也叫“拍电子伏”)的宽广能量范围内的能谱;测量更高能量的弥散宇宙线的成分与能谱,揭示宇宙线加速和传播的规律,探索新物理前沿。

  拍电子伏宇宙加速器和PeV光子

  “拍电子伏宇宙加速器(PeVatron)”周围产生的“超高能伽马光子”信号非常弱,即便是天空最为明亮且被称为“伽马天文标准烛光”的蟹状星云,发射出来的能量超过1 PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个,而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中。LHAASO的平方公里探测阵列内的1188个缪子探测器专门用于排除非光子信号,使之成为全球最灵敏的超高能伽马射线探测器。借助这前所未有的灵敏度,1/2规模的KM2A仅用了11个月就探测到并证认了来自蟹状星云的约1 PeV的伽马光子。不仅如此,KM2A还在银河系内发现了12个类似的源,他们都具有超高能光子辐射,其能谱稳定地延伸到PeV附近,其中探测到的伽马光子的最高能量达到创纪录的1.4 PeV。由此可见, LHAASO的此次科学成果在宇宙线起源的研究进程中具有里程碑意义。具体来说有以下三个方面的科学突破:

  1)揭示了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速超过1 PeV的宇宙加速器。在这次观测中,LHAASO所能够有效观测到的伽马射线源中(观测中超过5倍标准偏差的超出视为有效观测),几乎所有的辐射能谱都稳定延伸到几百TeV且没有明显截断,说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量超过1 PeV。这突破了当前流行的理论模型所宣称的银河系宇宙线加速PeV能量极限。同时,LHAASO发现银河系内大量存在PeV宇宙加速源,也向着解决宇宙线起源这一科学难题迈出了至关重要的一步。

  2)开启“超高能伽马天文学”时代。1989年,亚利桑那州惠普尔天文台成功发现了首个具有0.1 TeV以上伽马辐射的天体,标志着“甚高能”伽马射线天文学时代的开启,在随后的30年里,已经发现两百多个“甚高能”伽马射线源。直到2019年,人类才探测到首个具有“超高能”伽马射线辐射的天体。出人意料的是,仅基于1/2规模不到1年的观测数据,LHAASO就将“超高能”伽马射线源数量提升到了12个。

  随着LHAASO的建成和持续不断的数据积累,可以预见这一最高能量的天文学研究将给我们展现一个充满新奇现象的未知的“超高能宇宙”,为探索宇宙极端天体物理现象提供丰富的数据。由于宇宙大爆炸产生的背景辐射无所不在,它们会吸收高于1 PeV的伽马射线。到了银河系以外,即使产生了PeV伽马射线,由于背景辐射光子的严重吸收,我们也接受不到这些PeV伽马射线。LHAASO打开银河系PeV辐射探测窗口,对于研究遥远的宇宙也具有特殊意义。

  3)能量超过1 PeV的伽马射线光子首现天鹅座区域和蟹状星云。PeV光子的探测是伽马天文学的一座里程碑,承载着伽马天文界的梦想,长期以来一直是伽马天文发展的强大驱动力。事实上,上个世纪80年代伽马天文学爆发式发展的一个重要动机就是挑战PeV光子极限。天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮的区域,拥有多个大质量恒星星团,大质量恒星的寿命只有几百万年,因此星团内部充满了恒星生生死死的剧烈活动,具有复杂的强激波环境,是理想的宇宙线加速场所,被称为“粒子天体物理实验室”。

  LHAASO在天鹅座恒星形成区首次发现PeV伽马光子,使得这个本来就备受关注的区域成为寻找超高能宇宙线源的最佳天区。这个区域将是LHAASO以及相关的多波段、多信使天文观测设备关注的焦点,有望成为解开“世纪之谜”的突破口。

  历史上对蟹状星云大量的观测研究,使之成为几乎唯一具有清楚辐射机制的标准伽马射线源,跨越22个量级的光谱精确测量清楚地表明其电子加速器的标志性特征。然而,LHAASO测到的超高能光谱,特别是PeV能量的光子,严重挑战了这个高能天体物理的“标准模型”,甚至于对更加基本的电子加速理论提出了挑战。

  技术创新

  LHAASO开发了1)远距时钟同步技术,确保整个阵列的每个探测器同步精度可达亚纳秒水平;在高速前端信号数字化、高速数据传输、大型计算集群协助下满足了2)多种触发模式并行等尖端技术要求;首次大规模使用3)硅光电管、4)超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测技术,大大提高了伽马射线测量的空间分辨率,达到了更低的探测阈能,使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面,都达到前所未有的水平。LHAASO也为开展大气、环境、空间天气等前沿交叉科学研究提供了重要实验平台,并成为多边国际合作共同开展高水平研究的科学基地。

  中国的宇宙线研究发展历程

  中国的宇宙线实验研究经历了三个阶段,目前在建的LHAASO是第三代高山宇宙线实验室。高山实验能够充分利用大气作为探测介质,在地面进行观测,探测器规模可远大于大气层外的天基探测器。由于超高能量宇宙线数量稀少,这是唯一的观测手段。1954年,中国第一个高山宇宙线实验室在海拔3180米的云南东川落雪山建成。1989年,在海拔4300米的西藏羊八井启动了中日合作的宇宙线实验;2000年,启动中意ARGO实验。2009年,在北京香山科学会议上,曹臻研究员提出在高海拔地区建设大型复合探测阵列“高海拔宇宙线观测站”的完整构想。LHAASO的主体工程于2017年开始建设,2019年4月完成1/4的规模建设并投入科学运行。2020年1月,LHAASO完成了1/2规模的建设并投入运行,同年12月完成3/4规模并投入运行。2021年,LHAASO阵列将全部建成,成为国际领先的超高能伽马探测装置,投入长期运行,从多个方面展开宇宙线起源的探索性研究。

成果发布会现场


 
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