世纪之谜有望解开！科学家首次发现超高能宇宙线加速器在银河系存在的证据

作者|倪思杰

高能宇宙线从何而来？这是一个从宇宙射线发现至今跨越了整整一个世纪的未解之谜，也被美国国家研究（.....涉及敏感内容网站自动屏蔽.....）会列为21世纪11个最前沿的天文和物理问题之一。就在最近，。。羊八井中日合作实验(AS实验)的最新成果，

它让人们离解开这个世纪之谜更近了一步。

在这项研究中，科学家首次发现了银河系中存在超高能宇宙线加速器的证据。美国物理学会(APS)评论说，这一成果是近一个世纪以来宇宙射线起源研究的里程碑。

相关观测结果将于4月5日正式发表在美国期刊《物理评论快报》上，并被推荐为重点论文。

银河系中的线索

宇宙射线是来自太空的高能粒子流，主要由质子和其他原子核组成。能够将宇宙射线加速到千万亿次(PeV)级别的天体称为“PeVatron”，也称为超高能宇宙射线加速器。

超高能宇宙线加速器。。了银河系中最活跃的天体。通常，根据理论模型，银河系中心的超新星遗迹、恒星形成区和超大质量黑洞都是超高能宇宙线加速器的候选对象。

由于带电的高能宇宙线粒子在银河系中传播的过程中会受到磁场的偏转，因此无法通过直接探测来搜索其来源方向。于是，科学家们想到了另一种探测手段，——。高能宇宙射线在传播过程中会与星际介质发生碰撞。

此外，产生能量约为宇宙线母粒子的十分之一的高能射线，并且高能射线不带电并沿直线传播。只要能在银河系中找到超高能伽马射线，就可以沿着伽马射线的方向寻找宇宙射线的起源。

“超高能伽马射线就像超高能宇宙线加速器在银河系留下的一系列‘脚印’，是它们在银河系存在的重要证据。”论文作者之一、中科院高能物理研究所研究员黄靖告诉《。。科学报》。

2013年，美国费米伽马望远镜首次发现质子在银河系中被加速到十亿电子伏特的水平。但是到目前为止，银河系还没有千万亿次的超高能宇宙线加速器。

以至于人们怀疑银河系中是否真的存在这样的加速器。

足迹探测器

与十亿电子伏的伽马射线相比，超高能伽马射线的数量很少。要找到这样的“足迹”，无异于大海捞针。地球大气乃至宇宙中的各种粒子无时无刻不在向各种观测设备传递噪音，阻碍了人们的视线。

“超高能伽马射线不到宇宙射线的1%，会淹没在宇宙射线的背景中。很难抑制宇宙射线的背景，挑出伽马射线。”黄静说。

经过30多年的发展，。。AS实验已经具备排除干扰、寻找“足迹”的能力。

早在30多年前的1989年，。。AS实验就在海拔4300米的。。羊八井镇建成。1995年被美国杂志《科学》列为。。25个科研基地之一。

实验组由。。科学院高能物理研究所、。。科学院国家天文台等12家国内合作单位和日本东京大学宇宙线研究所等16家日本合作单位组成，团队成员超过100人。

“这一重要发现是中日合作双方30年坚持不懈、不断创新、不断努力的结果。”。。科学院高能物理研究所所长、。。科学院院士王说。

黄静介绍，。。的AS实验早期，大部分主要经费和科研工作都由日本承担，但近年来，无论是经费还是科研内容，中日双方基本上是平分秋色。

2014年，实验团队在现有的65000平方米宇宙线表面阵列下，搭建了有效面积为3400平方米的地下水切伦科夫探测阵列，综合利用了地面和地下探测器阵列的数据。

实验组可以将0.1PeV以上的宇宙射线背景噪声降低到百万分之一，从而大大提高伽马射线探测的灵敏度。“这已经成为这项发现的关键技术基础。”黄静说。

在国际合作与分工方面，黄靖表示，目前，实验的所有工作都不再进行详细的分工。从开发设计、建设运营到最终的数据重建和物理分析，中日都是并行进行的，既有充分的合作，也有充分的竞争。

这种状态使得合作组能长期一直保持世界较高水平并作出了系列领先的科研成果。

我国。。羊八井AS实验地下水切伦科夫探测器（中科院高能物理研究所供图）

曙光就在前方

今年3月2日，。。AS实验团队在银河系中找到了超高能宇宙线加速器的候选天体。他们首次发现超新星遗迹SNR G106.3+2.7 方向存在超过1百万亿电子伏特（1 TeV）的伽马射线，

并通过这些伽马射线的能量及空间分布特征，证明了SNR G106.3+2.7是目前为止在银河系中发现的最可能的超高能宇宙线加速器候选天体。

这次，科学家再次通过。。AS实验设备，观测到迄今为止最高能量的弥散伽马射线辐射，给出了超高能弥散伽马射线在银河系内的空间分布情况。

这些超高能伽马射线的能谱特征与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。

“AS实验发现了PeV宇宙线在银盘上的‘足迹’，从实验上表明超高能宇宙线加速器存在于银河系内。”南京大学天文系教授王祥玉如是评价。

对于科研团队来说，此次的观测结果仍有些许遗憾。“我们最初的研究方向是希望寻找银河系内存在的超高能宇宙线加速器候选天体，

也就是希望这些超高能伽马射线能指向超新星遗迹、恒星形成区和银河系中心的超大质量黑洞等天体。但观测到的结果是，最高能量伽马射线并没有指向已知的伽马射线源，而是集中在银河系圆盘，沿着银河系扩散开来。

”黄晶说。

那么，解决高能宇宙线起源问题的下一步该往哪走？黄晶认为，要彻底解决高能宇宙线起源问题，还差“临门一脚”,要完成这“临门一脚”，一是要开发更先进的、创新型的宇宙线立体探测技术，

二是要开展6000米超高海拔宇宙线实验，以降低实验观测阈值并获得更高质量的观测数据。

“未来，高海拔宇宙线观测站（LHAASO）等设备能观测更宽能量范围、更完整的弥散伽马射线能谱。”王祥玉说。

对于未来，黄晶充满信心：“曙光就在前方，先进的观测技术结合我国特有的超高海拔优势，必将让我国的宇宙线研究走到最前列。”

。。AS实验团队观测到的超高能弥散伽马射线事例在银道坐标系下的分布（中科院高能物理研究所供图）

相关论文消息：https://journals.aps.org/prl/accepted/2207cYd3La91536bf3509f3189e65322ea6e4b7e0