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西藏ASgamma缪子探测器检测到最高能量的宇宙伽玛

- 编辑:兴宁市测绘与空间地理信息 -

西藏ASgamma缪子探测器检测到最高能量的宇宙伽玛

  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(4.5×10^14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ASgamma实验观测到的最高能量伽玛射线(449TeV)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,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。

  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。

  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。

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