西藏ASgamma实验发现迄今最高能量宇宙伽玛射线

2019 年 7 月 3 日 中科院之声

近日，中日合作西藏ASgamma实验团队利用我国西藏羊八井ASgamma实验阵列发现迄今为止最高能量的宇宙伽玛射线，这些宇宙伽玛射线来自蟹状星云方向，能量高达450 TeV（4.5×10¹⁴电子伏特）（见图1）, 比此前国际上正式发表的75TeV的最高能量高出5倍以上。这标志着超高能伽玛射线天文观测进入到100 TeV以上的观测能段。相关观测结果以 “First Detection of Photons with Energy Beyond 100 TeV from an Astrophysical Source”为题，将于7月下旬作为亮点文章在《物理评论快报》上发表。

图1. 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）。

图2.左图: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；右图：西藏ASγ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，其中，黑点表示点阵探测器的位置，带颜色的圆的面积表示在探测器上触发的粒子数目密度，圆的颜色从蓝到红表示粒子到达探测器的时间从快到慢(蓝色：快，红色：慢)；箭头所指的前端表示空气簇射的中心，箭头的方向表示到来的空气簇射方向。

蟹状星云是位于金牛座的著名超新星遗迹（见图1），1054年我国宋朝的天文学家详细记录了该超新星爆发现象，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。此次中日合作ASgamma实验团队发现了24个100 TeV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450 TeV（见图2）。

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。

图3. 左：西藏羊八井 ASgamma实验组利用地下缪子探测器，能准确测量宇宙线空气簇射次级粒子中所含缪子数目，用于区分入射的高能宇宙线是质子、重原子核还是高能伽玛射线光子；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；利用该创新性技术，羊八井ASgamma实验能排除99.92%的非伽玛光子宇宙线事例，从而显著降低它们对高能伽玛光子探测的影响，实现了在 20TeV以上能区的国际最高的伽玛射线探测灵敏度。羊八井ASgamma实验探测到了来自蟹状星云方向的24个高度可靠的100 TeV以上的伽玛射线事例。

非光子成份的宇宙线是带电粒子，在银河系磁场中会发生偏转，因此它们的抵达方向并不代表其加速源头的真实位置。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。

图4： 我国西藏羊八井ASgamma实验（左图：ASgamma表面阵列；右图：地下水切伦科夫探测器）

西藏羊八井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，合作组成员在现有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（见图4），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（见图3）。合作组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。

作为西藏羊八井ASgamma实验的后续项目，我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，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以及国内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。

西藏羊八井ASgamma实验由中科院高能物理研究所和日本东京大学宇宙线研究所共同主持。此次重要发现是中日合作双方30年持之以恒，不断创新，不断努力的结果。该项目得到中国国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院及日本文部省、学术振兴会（JSPS）等机构的支持。实验在西藏30年的建设与运行得到了西藏自治区各级政府及西藏大学的大力支持。

背景小知识：

· eV: 电子伏特，是能量的单位。代表一个电子（所带电量为1.6 X 10^-19C的负电荷）经过1伏特的电位差加速后所获得的动能。TeV表示10¹²电子伏特，PeV表示10¹⁵电子伏特。ASgamma实验发现的最高能伽玛射线450 TeV 相当于医学诊断用的X射线能量（大约10 keV）的450亿倍。

· 成像型大气切伦科夫望远镜:通过观测宇宙线空气簇射时所产生的大气切伦科夫光进行高能宇宙线观测的实验装置。

· 宇宙微波背景:（CMB, cosmic microwave background，又称3K背景辐射）是宇宙学中“大爆炸”遗留下来的热辐射，是一种充满整个宇宙的电磁辐射。

· 逆康普顿散射：（inverse Compton scattering），光子与低能电子发生弹性碰撞把能量传递给电子称为康普顿散射, 如果电子为相对论性高能电子,就会把能量传递给低能的光子, 这就是逆康普顿散射。逆康普顿散射是高能电子辐射产生高能光子的主要过程。

· 最大的人工电子加速器:欧洲核子研究组织(CERN)的电子和正电子的环形加速器(LEP：Large Electron-Positron Collider)。LEP在2000年结束使用，在遗址上建造了大型强子对撞机(LHC : Large Hadron Collider)，成为世界上最大的粒子加速器设施，这个加速器在2012年发现了希格斯粒子。

来源：中国科学院高能物理研究所

温馨提示：近期，微信公众号信息流改版。每个用户可以设置常读订阅号，这些订阅号将以大卡片的形式展示。因此，如果不想错过“中科院之声”的文章，你一定要进行以下操作：进入“中科院之声”公众号 → 点击右上角的 ··· 菜单 → 选择「设为星标」