探测到迄今最高能伽马射线,能量破记录翻倍达955 TeV

银河系中某个物体正在产生无法解释的爆发,能量比地球上任何人造粒子加速器还要强上百倍。位于西藏的ASgamma实验设备近日探测到迄今为止最高能伽马射线,能量达957 TeV,已接近下一领域PeVatron天体发出的PeV能量范围。

首先我们要区分一下宇宙射线和伽马射线。宇宙射线主要由单纯的质子(89%)或氦原子核(10%,即α粒子)之类的粒子构成,能量有高有低(比如我们的太阳就会产生低能宇宙射线,能量通常不高于1 GeV),而高能宇宙射线普遍认为来自太阳系外的超新星、超新星残骸、新生恒星形成区域或超大质量黑洞,因这些地方拥有强大的磁场可加速粒子。然而宇宙射线带电荷,这代表当它们经过磁场时容易被偏转改向,所以很难靠单一探测追溯到宇宙射线源头。

但凡走过必留下痕迹。宇宙射线在行进过程中会与星际介质相互作用,导致原子衰变进而产生高能伽马射线光子,能量约为宇宙射线母体的10%,由于伽马射线不具电荷、故完全不受磁场影响,是披露高能宇宙射线的理想消息载体。

幸运的话,伽马射线与地球大气相撞,散射成一系列无害亚原子粒子组成的“粒子雨”,这些粒子降到地面时能量已大减,而天文学家就利用跨越数公里的望远镜数组来捕捉它们,比如ASgamma设备。

2019年时,ASgamma就接收到来自蟹状星云的100 TeV高能伽马射线,是当时伽马射线能量的最高记录。

而这次,ASgamma望远镜数组找到23条没有特定源头、传播在整个银河盘面的伽马射线,能量范围介于400~955.7 TeV,而这其中包含1个打破过去最高记录、能量接近PeV范围的超高能伽马射线(十进制单位:eV→KeV→MeV→GeV→TeV→PeV)。

上述已提到伽马射线能量仅为母体宇宙射线的10%,如今探测到能量高达955.7 TeV的伽马射线,强烈暗示宇宙中存在被某种天体加速到10 PeV以上的宇宙射线(1 PeV = 1 TeV 1,000倍),科学家称这种天体为PeVatron。不过ASgamma找到的伽马射线位置又很随机,这说明能将宇宙射线加速到PeV能量的PeVatron天体可能传播在整个银河系中,也不排除宇宙射线来自银河系外。

科学家下一步将尝试寻找PeVatron天体。但也许它们有一些如今已经消失了,就像灭绝的恐龙一样,仅仅留下宇宙射线和伽马射线作为它存在过的证据。

如果能找到一个活跃中的PeVatron天体,科学家就能展开更多研究,比如什么天体会发射能量达PeV等级的伽马射线和宇宙射线?如何将宇宙射线加速到PeV能量范围?这些射线又如何在银河系内传播?新论文发布在《物理评论快报》(Physical Review Letters)。

(首图来源:美国物理学会)