首獲關鍵證據！“拉索”挑戰超新星遺跡宇宙線加速模型

7月16日，國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”（簡稱“拉索”）在《科學通報（英文版）》上發布了W51復合區域高能伽馬輻射的精確測量結果。研究顯示，W51區域中的超新星遺跡W51C是最可能的宇宙線加速源，加速宇宙線最高能量極限在400萬億電子伏左右。該研究首次為超新星遺跡能夠將宇宙線加速至超過百萬億電子伏提供了關鍵證據，向超新星遺跡的宇宙線加速理論模型提出新挑戰。

匿名審稿人評價：“該研究所呈現的結果，對高能天體物理學界來說非常有趣，它們將有助于揭開長期以來銀河系中超高能宇宙線加速源的搜索之謎。”

宇宙線起源問題困擾科學界百年。超新星遺跡被認為是銀河系中神秘宇宙線最可能的起源地，一直備受關注。W51區域位于人馬旋臂，距離太陽系大約15000光年，是銀河系中最大、最活躍的“恒星工廠”之一，是研究和理解恒星形成過程的重要天體之一，也是目前為數不多的、擁有十億電子伏特能量強子宇宙線加速證據的天區，在破解“宇宙線起源”世紀謎題中占有重要地位。

利用“拉索”長達兩年多的實驗數據，研究人員觀測到W51區域發出的大量宇宙線事例，能區從2萬億電子伏延伸至200萬億電子伏。這些數據首次將W51區域的能譜測量拓展至超高能區，并清晰地顯示出該區域加速宇宙線產生的伽馬射線能譜極限高達幾十萬億電子伏，表明了W51區域加速宇宙線能量的最高極限在400萬億電子伏左右。

“如果這個伽馬射線來自于超新星遺跡W51加速鄰近分子云產生的超高能宇宙線，那么400萬億電子伏就是現有的超新星遺跡加速宇宙線能力的最高紀錄，超過了原來達不到100萬億電子伏的理論預期。”論文通訊作者之一、中國科學院高能物理研究所副研究員李哲告訴《中國科學報》。

與此同時，一直以來科學界不能確定W51區域被加速的帶電粒子是宇宙線中的強子還是輕子，流行理論認為由超新星遺跡激波與鄰近分子云相互作用而產生的伽馬輻射應是強子起源的。

此次研究中，研究人員將“拉索”在高能區的測量能譜與Fermi-LAT衛星在低能區的測量能譜銜接，形成了跨越6個量級的精確能譜。論文通訊作者之一、中國科學院高能物理研究所副研究員方堃介紹，該能譜可以統一由強子相互作用模型給出完美解釋，表明伽馬射線很有可能起源于宇宙線與分子云的碰撞。

“拉索”是國家重大科技基礎設施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，于2021年7月建成并開始高質量穩定運行，是國際上最靈敏的超高能伽馬射線探測裝置，具有大視場和全天候的特點，這次觀測充分體現了拉索國際領先的優勢。該成果由中國科學院高能物理研究所牽頭的拉索國際合作組完成，該項研究得到了國家自然科學基金、四川省杰出青年基金和中國科學院青年團隊計劃等資助。

“拉索”給出W51區域在大于百萬億電子伏能去的顯著性分布天圖。中國科學院高能物理研究所供圖

相關論文信息：https://doi.org/10.1016/j.scib.2024.07.017