超高能宇宙射线从何而来？本世纪的神秘现在正在破晓

超高能宇宙射线从何而来？这是一个世纪的谜。

中国和日本的研究小组利用中国西藏羊八井的AS实验阵列，在世界上首次发现距地球2600光年的超新星遗迹SNRG106.3 2.7发射出超过100万亿电子伏的射线。这些伽马射线可能是由超新星残骸中的冲击波与附近的分子云碰撞而加速到千兆电子伏(1000万亿电子伏)的宇宙射线引起的。因此，超新星遗迹成为银河系候选的“电子伏宇宙线加速器”，为解决超高能宇宙线起源之谜打开了重要的窗口。相关观察结果于《自然天文》年3月2日在线公布。

将宇宙射线加速到比地球上人工加速器最高能量高100倍的天体源，称为“电子伏宇宙射线加速器”。这个天体源被认为存在于银河系中。但是因为宇宙射线是带电的，所以在传播过程中会被银河系的磁场偏转。当它们到达地球时，方向不再指向源，所以不可能通过宇宙射线的方向找到这个天体源。

“因此，自1912年发现宇宙射线以来，超高能宇宙射线的起源至今未解，这是一个世纪的谜。”中国科学院高能物理研究所研究员黄静说。

幸运的是，宇宙射线在其源处加速后，可能会与附近的分子云碰撞产生中性介子，然后介子衰变产生能量约为母体宇宙射线十分之一的伽马射线。因为伽玛射线不带电荷，沿直线行进，所以观测到的伽玛射线到达方向是天体的源方向，所以可以找“电子伏宇宙射线加速器”。

判断一个天体源是否为电子伏宇宙射线加速器主要有三个依据。“天体源发出的伽马射线能量是否超过100万亿电子伏；伽玛射线发射区和分子云的位置是否一致；可以排除脉冲星及其高能电子产生超高能伽马射线的可能性。”黄静说。

到目前为止，世界上还没有实验组同时发现满足上述三个条件的天体。

2014年，中日合作的AS实验团队在原宇宙线面阵下增加了创新的地下子木水切伦科夫探测器，探测宇宙线质子与地球大气相互作用产生的子木。综合利用地表和地下探测器阵列的数据，可以消除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。

这次中日合作小组通过两年的观测，从超新星遗迹SNRG106.3 2.7方向测得了超过100万亿电子伏的超高能伽马射线，发现这些伽马射线的空间分布与附近分子云的分布比较接近，而与该区域脉冲星及其云的相关性较弱。

黄静说，对这些观测的一个合理解释是，宇宙射线在超新星遗迹的冲击波中被加速到拍电子伏特能量区，然后与附近的分子云碰撞产生中性介子，然后介子衰变产生超高能射线。因此，这个超新星遗迹成为银河系“电子伏宇宙线加速器”的候选，为解开超高能宇宙线起源的百年之谜打开了一扇宝贵的窗户。

据报道，中日合作的西藏AS实验位于西藏羊八井，海拔4300米。成立于1989年，由中国科学院高能物理研究所、国家天文台等12个国内合作单位和日本东京大学宇宙射线研究所等16个日本合作单位参与。