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中日科学家首次发现PeV能量宇宙线源存在于银河系的证据

2021年04月15日 海洋宇宙

东京大学与中国科学院等组成的中日联合研究团队日前宣布,发现了能将宇宙线加速到极高能量状态的神秘天体“PeVatron”存在于银河系内的决定性证据。研究团队在银河系方向观测到大量拥有史上最高能量的γ射线,由此结束了太空科学领域持续了60年的争论。今后将继续进行观测,以发现PeVatron的真面目,明确其物理面目。

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地面观测装置与银河系的合成图像。为显示出史上最高能量的γ射线,增强了天体的亮度(图片:东京大学宇宙线研究所若林菜穗提供)

宇宙线是在太空中传播的高能放射线,主要由质子构成。根据约60年前进行的观测和之后的理论研究推断,太空中存在能产生1皮(1皮为1000万亿)电子伏(PeV)以上宇宙线的超强天体。研究人员将这种天体称为PeVatron,科学家们围绕其存在展开了争论。

宇宙线与星际物质碰撞后会释放γ射线。γ射线与宇宙线不同,并不受磁场的影响,呈直线传播,因此可通过观测确认其方向。要想获得能证明PeVatron存在的证据,需要观测到0.1皮电子伏以上的γ射线,但受宇宙线噪声影响,此前一直很难观测到。

研究团队从1990年开始利用设置在西藏羊八井高原(海拔4300米)上的设备,开展了“西藏ASγ实验”,连续观测宇宙线和γ射线。为了把宇宙噪声降至100万分之1,在地下设置了基本粒子之一“μ子”的检测装置。

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在西藏设置的γ射线观测装置(左)与设置在地下的μ子检测装置(右)。(图片:西藏ASγ实验团队提供)

研究团队在2014~2017年进行了两年的观测,在银河系方向发现23条强度约为0.4~1皮电子伏的强γ射线。研究认为,这些γ射线源自被银河系内的某种天体加速到极高能量状态的宇宙线。研究团队由此得出结论:找到了证明PeVatron过去或现在存在于银河系内的决定性证据。

约1皮电子伏的γ射线相当于可见光的1000万亿倍,是观测史上检测到的最高能量的光。另外,观测到的γ射线的量与理论预测一致,宇宙线在被银河系内的磁场封存数百万年之后才能到地球。

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沿着银河系观测到23条高能γ射线(黄点)。偏离银河系的点被认为是噪声。灰色色块为西藏无法观测到的区域(图片由西藏ASγ实验团队、HEASARC、LAMBDA、NASA和GFSC提供)

目前研究团队正在南美玻利维亚建设相同的观测设施,目标是观测在西藏无法观测到的银河系中心附近区域,以便发现释放更强宇宙线的天体。研究团队成员、东京大学宇宙线研究所的助教川田和正在记者发布会上称:“这是一个伟大的发现,捕捉到了PeVatron释放宇宙线留下的足迹,也就是所谓的‘恐龙足迹’。希望最终能发现‘恐龙’本身,即PeVatron。寻找PeVatron的工作才刚刚开始,今后将变成热门研究领域。”

研究团队由日本的东京大学、横滨国立大学、日本大学、神奈川大学以及中国科学院的研究人员组成。相关研究成果已于4月5日发表在美国科学期刊《Physical Review Letters》的电子版上。

论文信息
论文题目:”First Detection of sub-PeV Diffuse Gamma Rays from the Galactic Disk: Evidence for Ubiquitous Galactic Cosmic Rays beyond PeV Energies”
期刊名称:Physical Review Letters(日本时间4月5日深夜发表在电子版上)
URL:journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141101

日语发布资料

日语原文

日文:JST Science Portal 编辑部
中文:JST客观日本编辑部

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