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逆熵科技(www.ipfs8.vip):LHAASO发现首批“拍电子伏加速器”和最高能量光子

国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观察站(LHAASO)”在银河系内发现大量超高能宇宙加速器,并纪录到最高1.4拍电子伏伽马光子(拍=万万亿),这是人类观察到的最高能量光子,改变了人类对银河系的传统认知,开启“超高能伽马天文学”时代。这些发现于2021年5月17日揭晓在《Nature》(《自然》)。该研究事情由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际互助组完成。

高海拔宇宙线观察站尚在建设中,这次报道的功效是基于已经建成的1/2规模探测装置,在2020年内 11个月的观察数据。科学家发现最高能量的光子来自天鹅座内异常活跃的恒星形成区,还发现了12个稳固伽马射线源,光子能量一直延伸到1 拍电子伏周围,这是位于LHAASO视场内最明亮的一批银河系伽马射线源,测到的伽马光子信号高于靠山7倍尺度误差以上,源的位置丈量精度优于0.3°。虽然这次使用的数据还很有限,但所有能被LHAASO观察到的源,它们都具有0.1拍电子伏以上的伽马辐射,也叫“超高能伽马辐射”。这解释银河系内遍布拍电子伏加速器,而人类在地球上制作的最大加速器(欧洲核子研究中央的LHC)只能将粒子加速到0.01拍电子伏。银河系内的宇宙线加速器存在能量极限是个“知识”,已往预言的极限就在拍电子伏周围,从而预言的伽马射线能谱在0.1 拍电子伏周围会有“截断”征象,LHAASO的效果完全突破了这个“极限”。这些发现开启了 “超高能伽马天文”观察时代,解释年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云等是银河系内加速超高能宇宙线的最佳候选天体,有助于破解宇宙线起源这个“世纪之谜”。LHAASO的效果解释,科学家们需要重新熟悉银河系高能粒子的发生、流传机制,进一步研究极端天体征象及其相关的物理历程,并在极端条件下磨练基本物理纪律。

《自然》物理科学总编Karl Ziemelis(卡尔 泽梅里斯)

点谈论文《Ultrahigh-energy photons up to 1.4petaelectronvolts from 12 γ-ray Galactic sources”》

宇宙射线是一些带电粒子,在宇宙中以靠近光速的速率航行。它们的速率云云之快,以至于其中一些粒子所携带的能量十分伟大,例如,比地球上的科学家在大型强子对撞机上加速粒子所能到达的能量值还要凌驾100倍以上。

我们为这种驱动宇宙粒子加速从而成为蕴含极大能量宇宙射线的天体起了一个名字,拍电子伏特宇宙线加速器,即PeVatron。它们在那里,它们是什么,我们依旧没有谜底,但这篇论文为我们提供了一些主要的线索。

追踪这些高能量宇宙射线并非易事,由于太空中的磁场会让粒子的行进蹊径扭曲、弯折,以是当侦测到有这样的射线抵达地球时,我们或允许以确定它到达的偏向,但这个偏向却未必与其出发偏向一致。

不外,我们已知宇宙射线在其加速器周围会发生γ射线,以是或许寻找这种高能γ射线可以为寻找这些神秘的PeVatron指明偏向。

这就是曹臻和同事们在这个新研究中所做的事情。他们讲述了检测到的12个超高能γ射线光子源,其中的每一个都代表着银河系中一个潜在的PeVatron。只管这些光子源中大部门尚未找到准确位置,但作者确认了其中一个就位于著名的超新星遗迹蟹状星云中。

这些激悦耳心的发现只管还很开端,但却是由于部门建成的中国高海拔宇宙线观察站的观察事情才成为可能。未来待观察站所有完工后,信托还会发现更多这样的光子源。

不外我们已经可以一定银河系中存在PeVatron,这些发现让我们离领会高能宇宙射线起源又近了一步。

高海拔宇宙线观察站及其焦点科学目的

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高海拔宇宙线观察站(LHAASO)是以宇宙线观察研究为焦点的国家重大科技基础设施,位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,占地面积约1.36平方公里,是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列(简称KM2A)、78000平方米水切伦科夫探测器、18台广角切伦科夫望远镜交织排布组成的复合阵列。LHAASO接纳这四种探测手艺,可以全方位、多变量地丈量宇宙线。

高海拔宇宙线观察站的焦点科学目的是:探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化和高能天体流动,并寻找暗物质;普遍搜索宇宙中尤其是银河系内部的伽马射线源,准确丈量它们从低于1TeV(1万亿电子伏,也叫“太电子伏”)到跨越1 PeV(1000万亿电子伏,也叫“拍电子伏”)的宽阔能量局限内的能谱;丈量更高能量的弥散宇宙线的因素与能谱,展现宇宙线加速和流传的纪律,探索新物理前沿。

拍电子伏宇宙加速器和PeV光子

“拍电子伏宇宙加速器(PeVatron)”周围发生的“超高能伽马光子”信号异常弱,即即是天空最为明亮且被称为“伽马天文尺度烛光”的蟹状星云,发射出来的能量跨越1 PeV的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1到2个,而这1到2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中。LHAASO的平方公里探测阵列内的1188个缪子探测器专门用于清扫非光子信号,使之成为全球最迅速的超高能伽马射线探测器。借助这亘古未有的迅速率,1/2规模的KM2A仅用了11个月就探测到并证认了来自蟹状星云的约1 PeV的伽马光子。不仅云云,KM2A还在银河系内发现了12个类似的源,他们都具有超高能光子辐射,其能谱稳固地延伸到PeV周围,其中探测到的伽马光子的最高能量到达创纪录的1.4 PeV。由此可见, LHAASO的此次科学功效在宇宙线起源的研究历程中具有里程碑意义。详细来说有以下三个方面的科学突破:

1)展现了银河系内普遍存在能够将粒子能量加速跨越1 PeV的宇宙加速器。在这次观察中,LHAASO所能够有用观察到的伽马射线源中(观察中跨越5倍尺度误差的超出视为有用观察),险些所有的辐射能谱都稳固延伸到几百TeV且没有显著截断,说明辐射这些伽马射线的父辈粒子能量跨越1 PeV。这突破了当前盛行的理论模子所宣称的银河系宇宙线加速PeV能量极限。同时,LHAASO发现银河系内大量存在PeV宇宙加速源,也向着解决宇宙线起源这一科学难题迈出了至关主要的一步。

2)开启“超高能伽马天文学”时代。1989年,亚利桑那州惠普尔天文台乐成发现了首个具有0.1 TeV以上伽马辐射的天体,标志着“甚高能”伽马射线天文学时代的开启,在随后的30年里,已经发现两百多个“甚高能”伽马射线源。直到2019年,人类才探测到首个具有“超高能”伽马射线辐射的天体。出人意料的是,仅基于1/2规模不到1年的观察数据,LHAASO就将“超高能”伽马射线源数目提升到了12个。

随着LHAASO的建成和连续不停的数据积累,可以预见这一最高能量的天文学研究将给我们展现一个充满新颖征象的未知的“超高能宇宙”,为探索宇宙极端天体物理征象提供厚实的数据。由于宇宙大爆炸发生的靠山辐射无所不在,它们会吸收高于1 PeV的伽马射线。到了银河系以外,纵然发生了PeV伽马射线,由于靠山辐射光子的严重吸收,我们也接受不到这些PeV伽马射线。LHAASO打开银河系PeV辐射探测窗口,对于研究遥远的宇宙也具有特殊意义。

3)能量跨越1 PeV的伽马射线光子首现天鹅座区域和蟹状星云。PeV光子的探测是伽马天文学的一座里程碑,承载着伽马天文界的梦想,耐久以来一直是伽马天文生长的壮大驱动力。事实上,上个世纪80年月伽马天文学发作式生长的一个主要念头就是挑战PeV光子极限。天鹅座恒星形成区是银河系在北天区最亮的区域,拥有多个大质量恒星星团,大质量恒星的寿命只有几百万年,因此星团内部充满了恒星生生死死的猛烈流动,具有庞大的强激波环境,是理想的宇宙线加速场所,被称为“粒子天体物理实验室”。

LHAASO在天鹅座恒星形成区首次发现PeV伽马光子,使得这个原本就备受关注的区域成为寻找超高能宇宙线源的最佳天区。这个区域将是LHAASO以及相关的多波段、多信使天文观察装备关注的焦点,有望成为解开“世纪之谜”的突破口。

历史上对蟹状星云大量的观察研究,使之成为险些唯一具有清晰辐射机制的尺度伽马射线源,跨越22个量级的光谱准确丈量清晰地解释其电子加速器的标志性特征。然而,LHAASO测到的超高能光谱,稀奇是PeV能量的光子,严重挑战了这个高能天体物理的“尺度模子”,甚至于对加倍基本的电子加速理论提出了挑战。

手艺创新

LHAASO开发了远距时钟同步手艺,确保整个阵列的每个探测器同步精度可达亚纳秒水平;在高速前端信号数字化、高速数据传输、大型盘算集群协助下知足了多种触发模式并行等尖端手艺要求;首次大规模使用硅光电管、超大光敏面积微通道板光电倍增管等先进探测手艺,大大提高了伽马射线丈量的空间分辨率,到达了更低的探测阈能,使人类在探索更深的宇宙、更高能量的射线等方面,都到达亘古未有的水平。LHAASO也为开展大气、环境、空间天气等前沿交织科学研究提供了主要实验平台,并成为多边国际互助配合开展高水平研究的科学基地。

中国的宇宙线研究生长历程

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