柳若愚

(南京大學天文與空間科學學院南京 210023)

近日,我國的重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站”(Large High Altitulde Air Shower Observatory,LHAASO)在《Nature》期刊上發(fā)表了首批科學結(jié)果[1].LHAASO利用其1/2陣列在2020年1月至11月這段時期的數(shù)據(jù),共發(fā)現(xiàn)了12個顯著性大于7倍標準偏差的超高能伽馬射線(指能量大于100 TeV的光子,1 TeV=1012eV)源.

LHAASO坐落于四川省稻城縣的海子山上,海拔4410 m,由平方公里陣列(Kilometers Square Array,KM2A)、水切倫科夫探測器陣列(Water Cherenkov Detector Array,WCDA)以及廣角切倫科夫望遠鏡陣列(Wide Field Cherenkov Telescope Array,WFCTA)組成.此次發(fā)現(xiàn)使用的是KM2A的數(shù)據(jù),該陣列由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成,占地面積約1 km2.超高能伽馬射線進入大氣層后會與大氣中的原子核發(fā)生反應,自身被吸收,并產(chǎn)生一代又一代的大量次級正負電子對,這個現(xiàn)象被稱為廣延大氣簇射.KM2A陣列主要通過電磁粒子探測器測量這些正負電子對來還原初級光子的能量與方向.同時,高能宇宙線在進入大氣層后同樣會引發(fā)廣延大氣簇射現(xiàn)象,產(chǎn)生大量的次級粒子,因此對于探測超高能伽馬射線來說是一種噪音.但宇宙線所引發(fā)的級聯(lián)中除了正負電子對之外,也包含大量的繆子,可以被KM2A的繆子探測器捕捉到,因此KM2A可以通過一個簇射事件中繆子與正負電子的比例將超高能伽馬射線事件準確地挑選出.1 km2的大探測面積以及對超高能伽馬射線事件的準確挑選能力,使得LHAASO成為當今世界最靈敏的超高能伽馬射線探測器.

LHAASO本次發(fā)現(xiàn)的12個源集中分布在銀道面上,同時考慮到超高能伽馬射線的平均自由程在幾個Mpc之內(nèi),基本可以確定這些超高能伽馬射線源是銀河系內(nèi)的天體所產(chǎn)生.對于銀河系內(nèi)的天體,產(chǎn)生超高能伽馬射線的機制一般有兩種:一種是高能質(zhì)子與氣體產(chǎn)生的質(zhì)子-質(zhì)子碰撞,這種方式產(chǎn)生的伽馬射線能量約為高能質(zhì)子能量的10%,因此產(chǎn)生超高能伽馬射線需要能量大于1 PeV (=1015eV)的質(zhì)子.另一種是高能電子散射宇宙微波背景輻射(即逆康普頓散射),產(chǎn)生超高能伽馬射線需要的電子能量在0.3 PeV之上.由此可見,超高能伽馬射線源與宇宙中PeV宇宙線加速器有直接的關聯(lián),而后者則是高能天理物理與粒子天體物理領域長期尋找的一個重要目標.

通過把12個超高能伽馬射線源的位置與一些已知的候選天體源進行對照,可以在大多數(shù)源的位置或附近找到脈沖星、超新星遺跡或者年輕的大質(zhì)量恒星星團等天體.脈沖星產(chǎn)生于Ib/Ic/II型超新星爆發(fā),是快速自轉(zhuǎn)的磁化中子星.它向四周發(fā)射由正負電子對組成的脈沖星風,這些極端相對論性的脈沖星風云沖擊在超新星拋射物上形成一道終止激波,而脈沖星風中的正負電子對會在終止激波附近進一步被加速,并產(chǎn)生多波段的輻射,形成脈沖星風云[2].最著名的脈沖星風云—蟹狀星云—也在此次觀測到的12個源之中.從蟹狀星云而來的最高光子能量為0.88 PeV,證明了它是一個極端的電子加速器,對現(xiàn)有的粒子加速理論提出了一定的挑戰(zhàn).超新星遺跡是超新星爆發(fā)產(chǎn)生的爆震波.這些爆震波的速度在早期可達一兩萬公里每秒,隨著爆震波在星際介質(zhì)中掃過越來越多的物質(zhì),它的速度會逐漸衰減[3].一般認為要把質(zhì)子加速到PeV,爆震波的速度至少需要幾千公里每秒,對應的超新星遺跡年齡只有幾百年[4].此前的觀測表明超新星遺跡確實可以加速質(zhì)子[5],但是還沒有證據(jù)表明其能把質(zhì)子加速到PeV.年輕大質(zhì)量星團中的粒子加速來自于O型星與B型星的高速星風.O、B星巨大的輻射壓驅(qū)動了速度高達上千公里每秒的高速星風[6],在整個恒星形成區(qū)產(chǎn)生了很多激波,由于星團內(nèi)恒星之間的距離較近,激波之間的相互碰撞可以使粒子加速效率進一步提高[7].LHAASO探測到的最高能量光子便是從天鵝座的恒星形成區(qū)而來,該光子能量高達1.4 PeV,刷新了人類從宇宙中探測到的光子能量紀錄.值得一提的是,除了蟹狀星云被確定為是超高能伽馬射線源,其他10個源的范圍內(nèi)或附近都存在著不止一個候選天體源,LHAASO的空間分辨率不足以清晰地區(qū)分區(qū)域內(nèi)具體哪一個天體是超高能伽馬射線的源或每個天體各自貢獻了多少超高能伽馬射線輻射.此外還有一個源(LHAASO J2108+5157)的附近暫時還沒有發(fā)現(xiàn)候選天體.我們需要結(jié)合其他波段的觀測以及中微子的觀測來進一步確定這些超高能伽馬射線的確切起源.

LHAASO的此項成果對銀河系宇宙線起源的研究是一個里程碑,對理解天體中的粒子加速機制、宇宙線的輸運機制有重要的意義.不僅如此,LHAASO也開啟了超高能伽馬射線天文觀測的新時代.超高能伽馬射線作為宇宙中極端物理過程與天文現(xiàn)象的探針,使我們得以窺見宇宙洶涌澎湃的一面.可以期待未來LHAASO全陣列的觀測將讓我們對宇宙有更加全面的認識.