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紫金山天文臺利用LHAASO精確測量銀盤超高能彌散伽馬輻射

  中國科學院紫金山天文臺(紫臺)領銜的分析團隊利用高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)的觀測數據,測量了來自銀盤的超高能段(10 TeV - 1 PeV)彌散伽馬射線輻射。這是目前在超高能段對銀盤面進行的最精確的測量,并且是世界上首次在該能段對外銀道面區域給出測量結果。該研究成果以Measurement of ultra-high-energy diffuse gamma-ray emission of the Galactic plane from 10 TeV to 1 PeV with LHAASO-KM2A為題,于2023年10 月9日發表于《物理評論快報》并被選為“編輯推薦”。美國物理學會Physics網站也發表評論文章介紹了該結果。

  宇宙線的起源和傳播是物理學和天文學領域的重大前沿課題。銀河系彌散伽馬射線主要產生于宇宙線和星際物質以及星際輻射場的相互作用,因而是研究宇宙線起源和傳播的重要手段。由于宇宙線電子在銀河系磁場和輻射場中快速冷卻,超高能段的彌散伽馬射線被認為主要來自于宇宙線原子核和物質的非彈性碰撞,進而可以直接探索核素宇宙線的分布,因此其被認為是粒子天體物理研究中最為重要的觀測量之一。以往對彌散伽馬射線的觀測主要集中在TeV能量以下,可由空間衛星直接測量給出。然而,匱乏TeV以上能段的觀測結果,一定程度上影響了人們對超高能段宇宙線粒子分布的認識。

  LHAASO是由中國科學院高能物理研究所牽頭、國內多家研究院所和高校參與建設的國家重大科技基礎設施,在超高能伽馬射線和宇宙線的觀測方面具有國際最高的靈敏度和精確度,成功地打開了PeV伽馬射線觀測新窗口,開啟了超高能天體物理研究的新時代。

  利用LHAASO平方公里陣列KM2A的觀測數據,分析團隊精確測量了從10 TeV至1 PeV能段的銀盤超高能輻射的能譜和空間分布(圖1)。和以往結果相比,LHAASO的觀測覆蓋能段最寬、測量精度最高、點源污染最少。此外,LHAASO首次揭示出外銀盤區域(經度125 < l < 235 ,緯度-5 < b < 5 )存在顯著的彌散輻射,為理解宇宙線在全銀河系中的分布邁出重要一步。與宇宙線和星際介質相互作用模型預期結果相比,LHAASO測量的流量更高(圖2),能譜形狀和空間分布均存在差異,意味著傳統的模型無法充分描述觀測結果,需要做出重要的修改。


圖1. 內銀盤區域(上圖)和外銀盤區域(下圖)超高能彌散輻射的顯著性天圖。圖中空白區域為具有明顯輻射的源分布范圍,在分析中已去掉。


圖2. LHAASO測量的彌散伽馬射線流強(紅點)和傳統理論模型預期(灰色陰影)的比較。淺藍色陰影區域為傳統模型增大3倍或2倍的結果。左圖為內銀盤區域,右圖為外銀盤區域。

  該工作由紫臺博士研究生張瑞和山東大學博士研究生趙世平(現紫臺博士后)在袁強研究員和張毅研究員的指導下完成;紫臺黃曉淵研究員、中國科學院高能物理研究所席紹強博士、中國科學技術大學于艷紅博士對該工作做出了重要貢獻。該工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院和江蘇省等項目的資助。

  文章鏈接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.131.151001

  Physics評論文章:https://physics.aps.org/articles/v16/169

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