科学家首次发现超高能宇宙线加速器在银河系中存在的证据

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。也被美国国家研究委员会列为21世纪11个最前沿的天文和物理问题之一。

就在最近，西藏羊八井中日合作实验(AS实验)的最新成果，让人们离解开这个世纪之谜又近了一步。

在这项研究中，科学家在世界上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，这一成果是宇宙射线起源百年研究的里程碑。

相关观测结果将于美国时间4月5日《物理评论快报》正式发表，并被推荐为重点论文。

银河系中的线索

宇宙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。能把宇宙射线加速到数百亿电子伏(PeV)的天体称为PeVatron ，又称超高能宇宙线加速器。

超高能宇宙线加速器代表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时会被磁场偏转，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方法，3354高能宇宙线，它在传播过程中会与星际介质发生碰撞，然后产生能量约为宇宙线母粒子十分之一的高能伽马射线。高能伽马射线不带电荷，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一串脚印银河系超高能宇宙线加速器留下的，是它们存在于银河系的重要证据。"作者一、中国科学院高能物理研究所研究员黄静告诉《中国科学报》。

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，银河系中还没有出现百亿电子伏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

与十亿电子伏伽马射线相比，超高能伽马射线的数量很少。找到这样一个足迹无异于大海捞针。地球上的各种粒子美国的大气乃至宇宙无时无刻不在向各种观测设备传输噪音，阻碍着人们的视线。

"超高能伽马射线占宇宙射线的比例不到1%，会淹没在宇宙射线背景中。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，西藏AS实验已经具备排除干扰，寻找脚印。

早在30多年前的1989年，位于海拔4300米的西藏羊八井镇就建成了西藏AS实验。1995年被美国杂志《科学》列为中国25个科研基地之一。

实验组由中国科学院高能物理研究所、中国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100余人。

"这一重要发现是中日双方30年锲而不舍、不断创新、不断努力的结果。"中国科学院高能物理研究所所长、中国科学院院士王说。

黄静介绍，西藏AS实验初期，大部分主要经费和科研工作由日本承担。然而，近年来，中国

2014年，实验团队在现有的65000平方米宇宙线表面阵列下，建成了有效面积为3400平方米的地下木子水切伦科夫探测阵列。通过综合利用地面和地下探测器阵列的数据，实验团队可以将0.1PeV以上的宇宙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。

"这成为了这一发现的关键技术基础。"黄静说。

在国际合作与分工方面，黄靖说，目前，实验的所有工作都不再具体分工。从开发设计、建设运营到最后的数据重建和物理分析，中日双方都在并行进行，既有充分的合作，也有充分的竞争。这种状态使合作组能够长期保持世界高水平，做出一系列领先的科研成果。

黎明就在前方。

今年3月2日，西藏AS的实验团队在银河系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100万亿电子伏特(1 TeV)的伽马射线，并通过这些伽马射线的能量和空间分布特征，证明SNR G106.3 2.7是迄今为止银河系中发现的最有可能的超高能宇宙线加速器候选天体。

这一次，科学家们通过西藏的AS实验设备，再次观测到了迄今为止最高的能量色散射线辐射，并给出了超高能色散射线在银河系中的空间分布。

这些超高能伽马射线的能谱特征与PeV能量宇宙射线和银河系分子云碰撞产生的伽马射线的模型预测是一致的。

"AS实验发现了足迹在银盘上发现了PeV宇宙线，这从实验上证明了银河系中存在超高能宇宙线加速器。"南京大学天文学教授王翔宇评论道。

对于研究团队来说，这个观察结果还是有些遗憾的。

"我们最初的研究方向是在银河系中寻找超高能宇宙线加速器的候选天体，即希望这些超高能伽马射线能够指向银河系中心的超新星遗迹、恒星形成区和超大质量黑洞。但观测到的结果是，最高能量的伽马射线并没有指向已知的伽马射线源，而是集中在银河系的圆盘上，沿着银河系扩散。"黄静说。

那么，要解决高能宇宙线的起源问题，接下来该何去何从呢？黄靖认为，要彻底解决高能宇宙线的起源问题，还有一个点睛之笔。要完成这个点睛之笔，一是需要发展更先进创新的三维宇宙线探测技术，二是需要在6000m超高空开展宇宙线实验，以降低实验观测门槛，获得更高质量的观测数据。

"未来，高海拔宇宙线天文台(LHAASO)等设备可以观测到更宽的能量范围和更完整的色散伽马射线谱。"王翔宇说。

对于未来，黄静充满信心：曙光在前方，先进的观测技术与中国结合美国独特的超高海拔优势必将使中国美国宇宙线研究走在前列。"

原标题：重磅！杨静实验有望解开世纪之谜。

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编辑：哈克