高海拔宇宙線觀測(cè)站與超高能伽馬射線源

柳若愚

(南京大學(xué)天文與空間科學(xué)學(xué)院南京 210023)

近日,我國(guó)的重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站”(Large High Altitulde Air Shower Observatory,LHAASO)在《Nature》期刊上發(fā)表了首批科學(xué)結(jié)果[1].LHAASO利用其1/2陣列在2020年1月至11月這段時(shí)期的數(shù)據(jù),共發(fā)現(xiàn)了12個(gè)顯著性大于7倍標(biāo)準(zhǔn)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(cè)器陣列(Water Cherenkov Detector Array,WCDA)以及廣角切倫科夫望遠(yuǎn)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(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成,占地面積約1 km2.超高能伽馬射線進(jìn)入大氣層后會(huì)與大氣中的原子核發(fā)生反應(yīng),自身被吸收,并產(chǎn)生一代又一代的大量次級(jí)正負(fù)電子對(duì),這個(gè)現(xiàn)象被稱為廣延大氣簇射.KM2A陣列主要通過(guò)電磁粒子探測(cè)器測(cè)量這些正負(fù)電子對(duì)來(lái)還原初級(jí)光子的能量與方向.同時(shí),高能宇宙線在進(jìn)入大氣層后同樣會(huì)引發(fā)廣延大氣簇射現(xiàn)象,產(chǎn)生大量的次級(jí)粒子,因此對(duì)于探測(cè)超高能伽馬射線來(lái)說(shuō)是一種噪音.但宇宙線所引發(fā)的級(jí)聯(lián)中除了正負(fù)電子對(duì)之外,也包含大量的繆子,可以被KM2A的繆子探測(cè)器捕捉到,因此KM2A可以通過(guò)一個(gè)簇射事件中繆子與正負(fù)電子的比例將超高能伽馬射線事件準(zhǔn)確地挑選出.1 km2的大探測(cè)面積以及對(duì)超高能伽馬射線事件的準(zhǔn)確挑選能力,使得LHAASO成為當(dāng)今世界最靈敏的超高能伽馬射線探測(cè)器.

LHAASO本次發(fā)現(xiàn)的12個(gè)源集中分布在銀道面上,同時(shí)考慮到超高能伽馬射線的平均自由程在幾個(gè)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(duì)于銀河系內(nèi)的天體,產(chǎn)生超高能伽馬射線的機(jī)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(jiàn),超高能伽馬射線源與宇宙中PeV宇宙線加速器有直接的關(guān)聯(lián),而后者則是高能天理物理與粒子天體物理領(lǐng)域長(zhǎng)期尋找的一個(gè)重要目標(biāo).

通過(guò)把12個(gè)超高能伽馬射線源的位置與一些已知的候選天體源進(jìn)行對(duì)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(tuán)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(fù)電子對(duì)組成的脈沖星風(fēng),這些極端相對(duì)論性的脈沖星風(fēng)云沖擊在超新星拋射物上形成一道終止激波,而脈沖星風(fēng)中的正負(fù)電子對(duì)會(huì)在終止激波附近進(jìn)一步被加速,并產(chǎn)生多波段的輻射,形成脈沖星風(fēng)云[2].最著名的脈沖星風(fēng)云—蟹狀星云—也在此次觀測(cè)到的12個(gè)源之中.從蟹狀星云而來(lái)的最高光子能量為0.88 PeV,證明了它是一個(gè)極端的電子加速器,對(duì)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(dá)一兩萬(wàn)公里每秒,隨著爆震波在星際介質(zhì)中掃過(guò)越來(lái)越多的物質(zhì),它的速度會(huì)逐漸衰減[3].一般認(rèn)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(duì)應(yīng)的超新星遺跡年齡只有幾百年[4].此前的觀測(cè)表明超新星遺跡確實(shí)可以加速質(zhì)子[5],但是還沒(méi)有證據(jù)表明其能把質(zhì)子加速到PeV.年輕大質(zhì)量星團(tuán)中的粒子加速來(lái)自于O型星與B型星的高速星風(fēng).O、B星巨大的輻射壓驅(qū)動(dòng)了速度高達(dá)上千公里每秒的高速星風(fēng)[6],在整個(gè)恒星形成區(qū)產(chǎn)生了很多激波,由于星團(tuán)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(jìn)一步提高[7].LHAASO探測(cè)到的最高能量光子便是從天鵝座的恒星形成區(qū)而來(lái),該光子能量高達(dá)1.4 PeV,刷新了人類從宇宙中探測(cè)到的光子能量紀(jì)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(gè)源的范圍內(nèi)或附近都存在著不止一個(gè)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(gè)天體是超高能伽馬射線的源或每個(gè)天體各自貢獻(xiàn)了多少超高能伽馬射線輻射.此外還有一個(gè)源(LHAASO J2108+5157)的附近暫時(shí)還沒(méi)有發(fā)現(xiàn)候選天體.我們需要結(jié)合其他波段的觀測(cè)以及中微子的觀測(cè)來(lái)進(jìn)一步確定這些超高能伽馬射線的確切起源.

LHAASO的此項(xiàng)成果對(duì)銀河系宇宙線起源的研究是一個(gè)里程碑,對(duì)理解天體中的粒子加速機(jī)制、宇宙線的輸運(yùn)機(jī)制有重要的意義.不僅如此,LHAASO也開(kāi)啟了超高能伽馬射線天文觀測(cè)的新時(shí)代.超高能伽馬射線作為宇宙中極端物理過(guò)程與天文現(xiàn)象的探針,使我們得以窺見(jiàn)宇宙洶涌澎湃的一面.可以期待未來(lái)LHAASO全陣列的觀測(cè)將讓我們對(duì)宇宙有更加全面的認(rèn)識(shí).