*羊八井实验发现迄今最高能量宇宙伽玛射线

左图:*ASgamma实验观测到蟹状星云方向100电子伏以上的伽马射线(照片来源:中国科学院高能物理研究所)；右图:美国哈勃望远镜观察到的蟹状星云图像(图像来源:美国宇航局)

记者今天(7月3日)从中国科学院获悉，中日合作实验小组最近在中国*羊八井利用ASgamma实验阵列从蟹状星云方向发现了能量最高的宇宙伽马射线。这些宇宙伽马射线的能量高达450兆电子伏，比此前官方公布的世界最大能量75兆电子伏高出五倍多。这表明超高能伽马射线天文观测已进入100 TeV以上的观测能量范围。

相关的观测结果被命名为“第一次探测到来自天体物理源的能量超过100电子伏特的光子”，并将作为一篇重点文章发表在7月下旬的《物理评论快报》上。

蟹状星云是金牛座著名的超新星遗迹。我国宋代天文学家详细记录了距离地球约6500光年的1054年超新星爆发。它的能量来源是位于蟹状星云脉冲星中的高速旋转脉冲星。蟹状星云在所有电磁波段都有很高的亮度，因此科学家们在从无线电、光学、X射线到伽马射线的整个电磁波段对其进行了详细的观察和研究。然而，随着光子能量的增加，光子电流强度变得越来越低，观测变得越来越困难。此前，国际上探测到的最高能量伽马射线是75TeV，由德国Hegracherenkov望远镜实验小组观测到。中日合作小组发现了24个100 TeV以上的伽马射线案例，超出宇宙射线背景标准偏差5.6倍，最高能量约为450 TeV。

研究人员认为，这些高于100电子伏特的高能光子可能是高能电子和周围宇宙微波背景辐射的光子之间“逆康普顿散射”的结果，而超高能电子和正电子是在蟹状星云的脉冲星云中产生的。由此可以推断，“蟹状星云”是“银河系中天然的高能粒子加速器”。与世界上最大的人工电子加速器(加速电子的最高能量为0.2电子伏)相比，“蟹状星云”的电子加速能力至少要高出一万倍。

具有非光子成分的宇宙射线是在银河系磁场中偏转的带电粒子，因此它们的到达方向并不代表它们的加速源的真实位置。伽马射线光子是电中性的，不会被磁场偏转，可以直接指向它们的产生源，而超高能伽马射线是由高能带电粒子产生的。因此，超高能γ射线观测是研究这些极端粒子的加速过程及其所处的极端环境的一种独特方式，也是探索极端宇宙的重要探针之一。了解伽马光子能达到的最高能量和这些超高能光子的能量分布，以及研究产生超高能伽马射线光子的各种可能的天体，有助于揭示宇宙中极端天体的性质，以及极端天体的物理过程和规律。

*羊八井的伽玛实验位于*羊八井，海拔4300米。该阵列的第一阶段已经完成，并于1990年开始运行。后来，它被多次升级，并在银河系的宇宙线探测和研究方面取得了一系列重大发现。2014年，合作小组成员在现有65000平方米的宇宙线表面探测阵列下增加了一个4200平方米的地下木子水切伦科夫探测器。利用这个地下木子水切伦科夫探测器的数据，可以消除99.92%的宇宙射线背景噪声。合作小组利用切伦科夫子木地下水探测器在*羊八井进行了伽马实验，这是世界上在100ev以上能量区最灵敏的伽马射线观测站。因此，测量了100ev伽马射线，并且预期在随后的操作中会发现更多的超高能伽马射线源。

作为*羊八井宇宙射线实验的后续项目，中国正在四川道城建设一个大面积高空宇宙射线观测站，其部分设备已经建成并投入运行。与ASgamma实验相比，LHAASO的能量范围和灵敏度高出一个数量级，这将把宇宙线物理学和超高能γ射线天文学推向一个新的水平。此外，在空间探索方面，该研究所正在率先申请许娥国际合作大型科学项目“探索极端宇宙”。其综合性能将比现有的同类空间探测设备有很大提高。宇宙射线物理学和高能伽马射线天文学也是该计划的主要科学目标。许娥和LHAASO以及国内外其他空间和山地观测站将在全天空、全时间域、多波段和多信使环境下对宇宙中的极端天体和过程进行三维观测研究。预计实施后将取得越来越显著的成果。

*羊八井的宇宙伽马实验由中国科学院高能物理研究所和日本东京大学宇宙射线研究所共同主办。这一重要发现是中日双方30年来坚持不懈、不断创新、不断努力的结果。该项目得到了中国国家自然科学基金、科学技术部、中国科学院、日本教育、文化和体育部以及JSPS科学院促进会的支持。*30年实验的建设和运行得到了*自治区各级*和*大学的大力支持。

相关论文信息:首次探测到来自非物质来源的能量超过100电子伏特的照片。