左圖:西藏ASgamma實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到蟹狀星云方向100TeV以上的伽瑪射線；右圖:美國(guó)哈勃望遠(yuǎn)鏡觀測(cè)的蟹狀星云圖片（圖片來(lái)自于NASA）。中科院高能所

中新網(wǎng)北京7月3日電 (記者 孫自法)中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)3日在北京對(duì)外宣布，中日合作西藏ASgamma實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)近日利用中國(guó)西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)陣列發(fā)現(xiàn)迄今為止最高能量的宇宙伽瑪射線，標(biāo)志著超高能伽瑪射線天文觀測(cè)進(jìn)入到100TeV以上的觀測(cè)能段。

原初宇宙線進(jìn)入地球大氣后，與大氣中的原子核發(fā)生相互作用產(chǎn)生空氣簇射的示意圖。中科院高能所

這些宇宙伽瑪射線來(lái)自蟹狀星云方向，能量高達(dá)450TeV(1TeV=10的12次方電子伏特)，比此前國(guó)際上正式發(fā)表的75TeV的最高能量高出5倍以上。相關(guān)觀測(cè)結(jié)果將于7月下旬作為亮點(diǎn)文章在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》上發(fā)表。

西藏ASgamma實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到的最高能量伽瑪射線(450TeV)的空氣簇射在探測(cè)器上產(chǎn)生的密度分布。中科院高能所

西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)由中科院高能所和日本東京大學(xué)宇宙線研究所共同主持。中科院高能所實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)介紹說(shuō)，蟹狀星云是位于金牛座的著名超新星遺跡，距離地球6500光年左右，其能量來(lái)源是位于其中的高速旋轉(zhuǎn)的脈沖星，即蟹狀星云脈沖星。蟹狀星云在全電磁波段均具有較高的亮度，因此科學(xué)家在從射電、光學(xué)、X射線直至伽瑪射線的整個(gè)電磁波段對(duì)其進(jìn)行了詳細(xì)的觀測(cè)和研究。但是，隨著光子能量的增加，光子流強(qiáng)越來(lái)越低，觀測(cè)也越來(lái)越困難。此前，國(guó)際上探測(cè)到的最高能量的伽瑪射線為75TeV，是德國(guó)的HEGRA切倫科夫望遠(yuǎn)鏡實(shí)驗(yàn)組觀測(cè)到的。這次中日合作實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了24個(gè)100TeV以上的伽瑪射線事例，超出宇宙線背景5.6倍標(biāo)準(zhǔn)偏差，其中能量最高的約為450TeV。

研究人員認(rèn)為，這些100TeV以上的高能光子可能是更高能量的電子與周?chē)钪嫖⒉ū尘拜椛涔庾影l(fā)生“逆康普頓散射”的結(jié)果，而超高能電子、正電子則在蟹狀星云的脈沖星風(fēng)云中產(chǎn)生。由此可以推斷，“蟹狀星云”是“銀河系內(nèi)天然的高能粒子加速器”，與目前世界上最大的人工電子加速器(加速電子最高能量0.2TeV)相比，“蟹狀星云”的電子加速能力至少高了上萬(wàn)倍。

左圖：西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)組利用地下繆子探測(cè)器；中圖和右圖：由于伽瑪光子產(chǎn)生的繆子數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于質(zhì)子和重原子核與空氣作用所產(chǎn)生的繆子數(shù)量，因此可根據(jù)地下繆子探測(cè)器探測(cè)到的某個(gè)事例產(chǎn)生的繆子數(shù)量來(lái)甄別該事例是伽瑪光子事例還是非伽瑪光子事例。中科院高能所

科學(xué)家指出，伽瑪射線光子是電中性的，不受磁場(chǎng)偏轉(zhuǎn)，能直指其產(chǎn)生的源頭，而超高能量的伽瑪射線又是由高能帶電粒子產(chǎn)生的。因此，超高能伽瑪射線觀測(cè)是研究這些極端粒子加速過(guò)程及其發(fā)生的極端環(huán)境的獨(dú)特途徑，是探索極端宇宙的重要探針之一。了解伽瑪光子所能達(dá)到的最高能量以及這些超高能光子能量的分布，研究產(chǎn)生超高能伽瑪射線光子的各種可能天體，有助于揭示宇宙中極端天體的性質(zhì)，以及其中的極端天體物理過(guò)程和規(guī)律。

中國(guó)西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)(左圖：ASgamma表面陣列；右圖：地下水切倫科夫探測(cè)器)。中科院高能所

西藏ASgamma實(shí)驗(yàn)位于海拔4300米的西藏羊八井，1990年一期陣列建成并開(kāi)始運(yùn)行，后來(lái)多次升級(jí)改造，在銀河系宇宙線的探測(cè)研究方面做出了一系列重大發(fā)現(xiàn)。2014年，中日合作實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)成員在現(xiàn)有65000平方米宇宙線表面探測(cè)陣列下面新增加有效面積4200平方米的地下繆子水切倫科夫探測(cè)器，利用這種地下繆子水切倫科夫探測(cè)器的數(shù)據(jù)，能夠剔除99.92%的宇宙線背景噪聲。合作團(tuán)隊(duì)正是憑借地下水切倫科夫繆子探測(cè)器，使得西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)成為100TeV以上能區(qū)國(guó)際上最靈敏的伽瑪射線天文臺(tái)，并因此測(cè)得本次100TeV伽瑪射線，后續(xù)的運(yùn)行還有望發(fā)現(xiàn)更多的超高能伽瑪射線源。

據(jù)了解，作為西藏羊八井ASgamma實(shí)驗(yàn)的后續(xù)項(xiàng)目，中國(guó)正在四川稻城建設(shè)大面積高海拔宇宙線觀測(cè)站(LHAASO)，其部分設(shè)備已經(jīng)建成并投入觀測(cè)運(yùn)行。和ASgamma實(shí)驗(yàn)相比，LHAASO的能量范圍和靈敏度要高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，將把宇宙線物理和超高能伽馬射線天文研究推進(jìn)到一個(gè)新的高度。此外，在空間探測(cè)方面，中科院高能所正在牽頭申請(qǐng)“探索極端宇宙”EXU國(guó)際合作大科學(xué)計(jì)劃，其綜合性能比現(xiàn)有的同類(lèi)空間探測(cè)設(shè)備將有大幅度的提升，宇宙線物理和高能伽馬射線天文也是該計(jì)劃的主要科學(xué)目標(biāo)。EXU和LHAASO以及中外的其他空間和高山天文臺(tái)相結(jié)合，將對(duì)宇宙極端天體和過(guò)程開(kāi)展全天空、全時(shí)域、多波段和多信使的立體觀測(cè)研究，預(yù)期實(shí)施之后將取得更多和更重大的成果。(完)