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        拉索發現巨型超高能伽馬射線泡認證第一個超級宇宙線加速源
        文章來源:大裝置管理中心 粒子天體中心  2024-02-26
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        高海拔宇宙線觀測站(LHAASO,“拉索”)在天鵝座恒星形成區發現了一個巨型超高能伽馬射線泡狀結構,歷史上首次找到能量高于1億億電子伏的宇宙線的起源天體。該成果于226日以封面文章的形式在《Science Bulletin》(《科學通報》)上正式發表。該研究工作由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成,中國科學院院士、高能物理研究所研究員曹臻,山東大學和高能物理研究所聯合培養博士研究生高川東,高能物理研究所李驄副研究員,南京大學柳若愚研究員,中國科學技術大學楊睿智教授為論文的共同通訊作者。

        宇宙線是從外太空來的帶電粒子,其主要成分為質子。宇宙線的起源是當代天體物理學最重大的前沿科學問題之一。測量發現,宇宙線的能譜(即宇宙線數量在粒子能量上的分布)在1千萬億電子伏附近呈現出一個拐折結構,因其形狀類似膝關節而被稱為宇宙線能譜的“膝”??茖W家們認為,能量比“膝”低的宇宙線起源于銀河系內的天體,而“膝”的存在也表明銀河系大部分的宇宙線源加速質子的能量極限在1千萬億電子伏左右。然而,究竟何種天體能把宇宙線能量加速到這么高能量,形成“膝”的能譜結構,仍然是一個未解之謎,也是近年來宇宙線研究中最引人關注的課題之一。

        拉索此次在天鵝座恒星形成區發現的巨型超高能伽馬射線泡狀結構,內有多個能量超過1千萬億電子伏的光子分布其中,最高達到2千萬億電子伏。一般來說,產生能量為2千萬億電子伏的伽馬光子,需要能量至少高10倍的宇宙線粒子。因此,這表明泡內部存在超級宇宙線加速器,源源不斷地產生能量至少達到2億億電子伏的高能宇宙線粒子,并注入到星際空間。這些高能宇宙線與星際空間中的氣體物質發生碰撞產生伽馬光子,光子的數目與周圍氣體的分布呈現清晰的關聯,而位于泡中心附近的大質量恒星星團(Cygnus OB2星協)則是超級宇宙線加速器最可能的對應天體。星協是由很多表溫度超過約3萬5千度的恒星(O型星)和表面溫度超過約1萬5千度的恒星(B型星)這類年輕、熾熱的大質量恒星組成密集星團。這些恒星的輻射強度是太陽的百倍至百萬倍,巨大的輻射壓將恒星表面物質吹出,形成了強烈的星風,速度可達每秒上千公里。星風與周圍星際介質的碰撞以及星風之間的猛撞產生了強激波、強湍流的極端環境,成為強大的粒子加速器。這是迄今為止人們能夠認證的第一個超宙線加速源,隨著觀測時間的增加,拉索將可能探測到更多的千萬億電子伏乃至更高能量宇宙線的加速源,有望解決銀河系宇宙線起源之謎。

        拉索還根據觀測推斷出泡內超級宇宙線加速器使得周邊星際空間的宇宙線密度顯著高于銀河系內宇宙線的平均水平。其所影響的空間范圍甚至遠超目前觀測到的氣泡尺度,為拉索此前探測到的銀河系彌散伽馬射線輻射的超出提供了一種可能的解釋。

        拉索是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎設施,位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山,是由5216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探測器陣列、7.8萬平方米水切倫科夫探測器陣列以及由18臺廣角切倫科夫望遠鏡組成的復合陣列。拉索于2021年7月建成并開始高質量穩定運行,是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置。設施的運行由中國科學院高能物理研究所承擔,采用通用的國際合作模式,實現設施平臺與觀測數據的開放共享。目前,已有32個國內外天體物理研究機構成為拉索的國際合作組成員單位,成員約280人。

        圖:天鵝座泡狀結構的流強隨能量分布以及模型擬合結果。


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