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伽馬射線 我國科學家牽頭發現迄今最高能量光子,開啟“超高能伽馬天文學”時代

伽馬射線 我國科學家牽頭發現迄今最高能量光子,開啟“超高能伽馬天文學”時代
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日前，國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站”在銀河系內發現大量超高能宇宙加速器，并記錄到能量達1.4拍電子伏的伽馬光子（拍=千萬億），這是人類觀測到的最高能量光子，突破了人類對銀河系粒子加速的傳統認知，開啟了 “超高能伽馬天文學”的時代。這些發現將于2021年5月17日發表在《自然》。該研究工作由中國科學院高能物理研究所牽頭的高海拔宇宙線觀測站國際合作組完成。
【探索高能宇宙線起源，尋找暗物質】
高海拔宇宙線觀測站，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.36平方公里，是由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列（簡稱KM2A）、78000平方米水切倫科夫探測器、18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的復合陣列。
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水切倫科夫探測器內安裝到位的部分探測器陣列
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繆子探測器
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地面簇射粒子陣列
高海拔宇宙線觀測站的核心科學目標是：探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化和高能天體活動，并尋找暗物質；廣泛搜索宇宙中尤其是銀河系內部的伽馬射線源，精確測量它們從低于1TeV（1萬億電子伏，也叫“太電子伏”）到超過1 PeV（1000萬億電子伏，也叫“拍電子伏”）的寬廣能量范圍內的能譜；測量更高能量的彌散宇宙線的成分與能譜，揭示宇宙線加速和傳播的規律，探索新物理前沿。
高海拔宇宙線觀測站尚在建設中，2021年陣列將全部建成。這次報道的成果是基于已經建成的1/2規模探測裝置，在2020年內 11個月的觀測數據。科學家發現最高能量的光子來自天鵝座內非常活躍的恒星形成區，還發現了12個穩定伽馬射線源，光子能量一直延伸到1 拍電子伏附近。
【有望成為解開“世紀之謎”的突破口】
高海拔宇宙線觀測站項目首席科學家曹臻，介紹了此次探測在三個方面的科學突破。
首先，揭示了銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速超過1拍電子伏的宇宙加速器。人類在地球上建造的最大加速器（歐洲核子研究中心的大型強子對撞機）只能將粒子加速到0.01拍電子伏。
當前流行的理論模型認為，銀河系內的宇宙線加速器能量極限就在拍電子伏附近，從而預言伽馬射線能譜在0.1 拍電子伏附近會有“截斷”現象，而高海拔宇宙線觀測站的結果完全突破了這個“極限”。在這次所能夠有效觀測到的伽馬射線源中，幾乎所有的輻射能譜都穩定延伸到幾百太電子伏且沒有明顯截斷，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過1 拍電子伏，這也向著解決宇宙線起源這一科學難題邁出了至關重要的一步。
其次，開啟了“超高能伽馬天文學”時代。1989年，美國亞利桑那州惠普爾天文臺成功發現了首個具有0.1 太電子伏以上伽馬輻射的天體，標志著“甚高能”伽馬射線天文學時代的開啟，在隨后的30年里，已經發現超過兩百個“甚高能”伽馬射線源。直到2019年,人類才探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。出人意料的是，僅基于1/2規模的高海拔宇宙線觀測站不到1年的觀測數據，就將“超高能”伽馬射線源數量提升到了12個。
隨著高海拔宇宙線觀測站的建成和持續不斷的數據積累，可以預見這一最高能量的天文學研究將給我們展現一個充滿新奇現象的未知的“超高能宇宙”，為探索宇宙極端天體物理現象提供豐富的數據。
【 伽馬射線|我國科學家牽頭發現迄今最高能量光子,開啟“超高能伽馬天文學”時代】第三，能量超過1拍電子伏的伽馬射線光子首現天鵝座區域和蟹狀星云。
天鵝座恒星形成區是銀河系在北天區最亮的區域，擁有多個大質量恒星星團，大質量恒星的壽命只有幾百萬年，因此星團內部充滿了恒星生生死死的劇烈活動，具有復雜的強激波環境，是理想的宇宙線加速場所，被稱為“粒子天體物理實驗室”。高海拔宇宙線觀測站在天鵝座恒星形成區首次發現拍電子伏伽馬光子，使得這個本來就備受關注的區域成為尋找超高能宇宙線源的最佳天區，有望成為解開“世紀之謎”的突破口。
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