科学家首次发现PeV能量宇宙线源在银河系中存在的证据

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子流,它发现于1912年,一般认为其与宇宙的形成、天体的演化、甚至可能与地球历史上的生物灭绝相关,被称为“宇宙飞弹”。但是,宇宙线的起源、特别是能量高达PeV(1000万亿电子伏特)的高能宇宙线的起源却是未解的世纪谜题。

中日科学家在中国西藏羊八井联合进行的西藏ASγ实验取得的最新成果,为揭开这个谜题提供了契机——观测到迄今为止最高能量的弥散伽马射线辐射,最高能量达957TeV。该实验的中方负责人、中国科学院高能物理研究所研究员黄晶介绍,科学家们发现这些超高能伽马射线并没有指向已知的低能段伽马射线源,而是弥漫分布在银盘上,“这是国际上首次发现PeV能量宇宙线源在银河系中存在的证据”。

相关观测结果将于4月5日发表在学术期刊《物理评论快报》上,美国物理学会评论这一成果为研究高能宇宙线起源“世纪之谜”的里程碑。

宇宙线主要由质子和其他原子核组成。一般认为,宇宙线产生于天体的剧烈活动,比如超新星爆发,然后被“抛”向广袤星际空间。黄晶说:“通常低于几个PeV能量的宇宙线被认为主要产生于银河系内。能将宇宙线加速到PeV能量的天体,也被称为‘拍电子伏特宇宙线加速器(PeVatron)’,它究竟在哪里却并不清楚。根据理论模型,超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等是候选的PeVatrons,但迄今为止并没有任何一个得到观测证实。”

黄晶解释,判断高能宇宙线起源的主要困难在于,带电的高能宇宙线粒子在银河系传播的过程中,其运动方向会被磁场偏转,无法通过直接探测搜寻其源头方向。“但是高能宇宙线中含有很少的伽马射线,它不带电,能够沿直线传播,就可以反推其起源。”黄晶说,“但也因为其稀少,想要找到它也非常困难。”

中日科学家在西藏羊八井坚守30年,终于等到了这难得的“天外来客”。这次ASγ实验在银盘上发现超高能弥散伽马射线,其能谱特征与PeV能量宇宙线和银河系分子云碰撞产生伽马射线的模型预言相符。黄晶说:“就像是PeVatron在银河系内留下的一串串足迹,是PeVatron存在于银河系的重要证据,也就是说,高能宇宙线也可能起源于银河系内。”

科学家已经朝着解开高能宇宙线起源的世纪之谜迈出了重要一步,但还有很多未解的谜题。“比如我们现在只知道PeVatron广泛存在于银河系中,但它们具体是什么天体、数量有多少还没有定量的分析。”黄晶说,而这些都将是科学家未来努力的方向。

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