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在西藏高海拔地区进行的一项实验已经发现了从天体物理来源蟹状星云中观测到的最高能量光子

导读 极高能量(VHE)伽马射线天文学给出了宇宙在100 GeV(1 0)以上的光子能量的视图 1 1电子伏特)。要在这些高能量下产生光子,需要比大

极高能量(VHE)伽马射线天文学给出了宇宙在100GeV(10)以上的光子能量的视图11电子伏特)。要在这些高能量下产生光子,需要比大型强子对

撞机强大许多倍的宇宙加速器。已知的伽马射线源,例如脉冲星和活动星系核,具有强烈的电磁场或重力场,用于加速随后产生VHE光子的粒子。天体物

理学家有关于这种加速度如何发生的模型,但是在通过这些机制可实现的最大粒子能量等问题上仍然存在不确定性。为了帮助解决这些问题,研究人员

使用具有非常大的收集区域的地面实验来搜索最高能量和最稀有的伽马射线。现在,这样的实验第一次检测到光子强度高于100TeV(1014eV)来自

天体物理学来源,即蟹状星云[1]。这种探测不仅打开了宇宙的新视角,而且还证实了最佳研究的天体物理来源之一的粒子加速和辐射的标准理论框架

当VHE粒子-伽马射线或宇宙射线-从宇宙到达我们时,它与地球的大气相互作用,产生大量的二次粒子和光子的空气淋流,向下传播到地球表面(图

1)。通过从地面测量这些二次产品,我们可以收集有关初级VHE粒子的信息[2]。以这种方式研究伽马射线的主要动机之一就是确定极端粒子加速的天

体物理场所,这也可以解释宇宙射线的起源。进行这种测量的一些首批项目是风淋阵列,它通过广泛分布的探测器阵列检测淋浴中的颗粒,通常是闪烁

体或水Cherenkov探测器。通过测量二次粒子在地面上多个位置的密度和到达时间,风淋阵列估计进入的初级粒子的能量和到达方向,以及确定它是伽马

射线光子还是宇宙射线。

第一次确定的VHE伽马射线源,蟹状星云,是由Whipple10m望远镜于1989年制造的[3]]。惠普尔不是一个风淋阵列,而是一个大气的切伦科夫望远镜,

它使用碟形反射器捕获二次光子(而不是二次粒子)。虽然1-TeV光子的Whipple检测是一个具有里程碑意义的事件,但是Crab是第一个被检测到的来源

这一事实并不令人惊讶。螃蟹是公元1054年在地球上观测到的超新星爆炸的残余,可能是天文学研究最多的来源,并且在所有波长上具有非常明亮的发

射。在VHE波段,螃蟹的发射是明亮和稳定的,最有可能是通过从CrabPulsar吹出的相对论电子的风。这种由VHE光谱形状支持的风模型假设电子通过逆

康普顿散射与低能环境光子相互作用,产生伽马射线光子[4]。

由惠普尔检测激励和希望看到高能光子,和科学家的合作,构建西藏大气簇射实验(西藏ASγ该阵列最初由49个闪烁探测器组成,覆盖面积

为11,000米2,受益于4300米的高海拔,这使它能够检测到比第一代风淋阵列更广泛的伽马射线能量[5]。1999年,西藏ASγ通过空气淋浴阵列首

次探测蟹状星云[6]。该实验已经定期升级,增加了闪烁探测器(现在总数约为600),最近又安装了24个地下水-Cherenkov探测器,用于测量μ子

。由于伽马射线引发的空气阵雨预计具有比由宇宙射线引发的更少的μ子,因此μ子内容的测量拒绝了由于宇宙射线引起的背景事件,聚焦于由伽马射

线光子引起的那些。由于这些附加设备,西藏ASγ两者都具有显着提高的灵敏度(~1TeV)和高(~100TeV)能量。

在过去的30年里,西藏ASγ伴随着大气的切伦科夫望远镜,如HESS,MAGIC和VERITAS,以及像Milagro实验那样的阵列式实验。这些不同的地面观测站

通过发现和表征近200个TeV伽马射线源,彻底改变了我们对VHE宇宙的理解[7]。然而,在100-TeV能量下没有检测到这些来源。

这种情况现在已经改变了。西藏ASγ合作报告从能量高于100TeV的蟹状星云方向检测到清晰的伽马射线信号[1]。计算出的光子光谱与先前在较低

能量下的测量值和逆康普顿模型到最高能量的平滑延续表现出良好的一致性[4]。值得注意的是,Milagro的继任者最近在会议上报告了类似的结果:

高海拔水Cherenkov(HAWC)天文台,于2014年开始正常运营.HAWC拥有一个高海拔(4100米)的位置,大型μ介子探测器,和改善的重建能力,状藏AS

γ-与早期的风淋阵列相比,它具有卓越的性能。HAWC协作组织最近提交了他们对Crab的100-TeV观察结果以供发表[8]。

这里报道的工作代表了实现长期目标,即测量100-TeV伽马射线。虽然没有什么神奇的约100TeV的,该检测由西藏ASγ和HAWC证实,我们在蟹状星云

中的粒子加速和辐射的标准图像以平滑的方式继续提高能量。反过来,这又认为在Crab加速的初级电子接近能量为1PeV(1015电子伏特)。

展望未来,将Crab频谱扩展到越来越高的能量对于确保不出现新组件非常重要。尽管由于星系间辐射场的吸收,我们可以预期检测到100TeV以上的其他

物体-在这些能量中,我们的银河系或其附近区域只能看到它们。尽管如此,HAWC已经证明了TeV频段中存在许多银河系[9因此,未来的探测可以揭示

银河系中最高的能量加速器,即所谓的PeVatrons,它们需要解释能够传递到地球的peta-electronvolt宇宙射线的能力。同样,如果这些最高能量的光

子可以与南极IceCube实验检测到的中微子事件相关联,那么它将提供关于最高能量中微子起源的重要线索。

最近在VHE伽马射线天文学领域的许多发现促使开发了新的,更灵敏的仪器来探测100-TeV前沿。其中一个例子是大型高海拔空气淋浴天文台(LHAASO)

,这是一项新的空气淋浴实验,最近在四川落成。此外,Cherenkov望远镜阵列(CTA)的开发仍在继续,该阵列将包括智利和西班牙两个大型

Cherenkov望远镜阵列。南半球高空风淋实验也存在很大兴趣

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