近期,中日合作团队利用我国西藏羊八井ASγ实验阵列,在国际上首次发现距地球2600光年的超新星遗迹SNR G106.3+2.7发射出超过100 TeV的伽马射线。这些伽马射线可能是被SNR G106.3+2.7中的激波加速到PeV的宇宙射线与附近的分子云碰撞产生的。
SNR G106.3+2.7因此成为银河系中一个候选的“拍电子伏特宇宙线加速器(PeVatron)”,为解开超高能宇宙射线的起源之谜打开了重要的窗口。
自1912年发现宇宙射线以来,超高能宇宙线的起源问题至今未解,是一个世纪之谜。学界将宇宙射线加速到PeV能量的天体源称为PeVatron,并被认为应该存在于银河系中。
然而,由于宇宙射线带电荷,它们在传播的过程中会受到银河系磁场的偏转,到达地球时的方向已不再指向源头,因此,无法通过宇宙线的方向来寻找PeVatron。但是,宇宙射线在其源头被加速后可能与附近的分子云发生碰撞,产生中性π介子,随后,π介子衰变产生能量约为母体宇宙射线能量十分之一的伽马射线。由于伽马射线不带电荷,沿直线传播,因此,观测到的伽马射线到达方向就是该天体源方向,借此可以寻找PeVatron。
判断一个天体源是否是宇宙线PeVatron,主要有3条判据:(1)该天体源发出的伽马射线能量超过100 TeV;(2)伽马射线发射区与分子云的位置一致;(3)能够排除超高能伽马射线产生于脉冲星及其风云高能电子的可能性,即排除“轻子起源”。此前,世界上还没有任何一个实验组找到同时满足以上3个条件的天体。
西藏中日合作ASγ实验位于海拔4300米的西藏羊八井,2014年,中日合作ASγ实验团队在原有的宇宙线表面阵列的地下增设了创新型的地下缪子水切伦科夫探测器(4500平方米),用于探测宇宙线质子与地球大气作用产生的缪子。综合利用表面和地下探测器阵列的数据,可排除99.92%的宇宙线背景噪声,从而大大提高探测伽马射线的灵敏度。
此次,中日合作团队通过有效时间2年的观测,测量到来自SNR G106.3+2.7方向的超过100 TeV的超高能伽马射线,发现这些伽马射线的空间分布与附近分子云的分布接近,而与这个区域内存在的脉冲星及其风云关联较弱。对这些观测结果的一个合理解释是:质子在SNR G106.3+2.7附近被激波加速到PeV能区,然后与附近的分子云碰撞产生中性π介子,随后π介子衰变产生超高能伽马射线。
G106.3+2.7成了银河系中一个PeVatron候选体,为解开超高能宇宙线起源的世纪之谜打开了一个宝贵的窗口。