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