紫金山天文台利用LHAASO精确测量银盘超高能弥散伽马辐射
时间 : 2023-10-09     

中国科学院紫金山天文台(紫台)领衔的分析团队利用高海拔宇宙线观测站(LHAASO)的观测数据,测量了来自银盘的超高能段(10 TeV - 1 PeV)弥散伽马射线辐射。这是目前在超高能段对银盘面进行的最精确的测量,并且是世界上首次在该能段对外银道面区域给出测量结果。该研究成果以Measurement of ultra-high-energy diffuse gamma-ray emission of the Galactic plane from 10 TeV to 1 PeV with LHAASO-KM2A为题,于2023年10 月9日发表于《物理评论快报》并被选为“编辑推荐”。美国物理学会Physics网站也发表评论文章介绍了该结果。 

宇宙线的起源和传播是物理学和天文学领域的重大前沿课题。银河系弥散伽马射线主要产生于宇宙线和星际物质以及星际辐射场的相互作用,因而是研究宇宙线起源和传播的重要手段。由于宇宙线电子在银河系磁场和辐射场中快速冷却,超高能段的弥散伽马射线被认为主要来自于宇宙线原子核和物质的非弹性碰撞,进而可以直接探索核素宇宙线的分布,因此其被认为是粒子天体物理研究中最为重要的观测量之一。以往对弥散伽马射线的观测主要集中在TeV能量以下,可由空间卫星直接测量给出。然而,匮乏TeV以上能段的观测结果,一定程度上影响了人们对超高能段宇宙线粒子分布的认识。 

LHAASO是由中国科学院高能物理研究所牵头、国内多家研究院所和高校参与建设的国家重大科技基础设施,在超高能伽马射线和宇宙线的观测方面具有国际最高的灵敏度和精确度,成功地打开了PeV伽马射线观测新窗口,开启了超高能天体物理研究的新时代。 

利用LHAASO平方公里阵列KM2A的观测数据,分析团队精确测量了从10 TeV至1 PeV能段的银盘超高能辐射的能谱和空间分布(图1)。和以往结果相比,LHAASO的观测覆盖能段最宽、测量精度最高、点源污染最少。此外,LHAASO首次揭示出外银盘区域(经度125°< l < 235°,纬度-5°< b < 5°)存在显著的弥散辐射,为理解宇宙线在全银河系中的分布迈出重要一步。与宇宙线和星际介质相互作用模型预期结果相比,LHAASO测量的流量更高(图2),能谱形状和空间分布均存在差异,意味着传统的模型无法充分描述观测结果,需要做出重要的修改。

 
图1. 内银盘区域(上图)和外银盘区域(下图)超高能弥散辐射的显著性天图。图中空白区域为具有明显辐射的源分布范围,在分析中已去掉。

 
图2. LHAASO测量的弥散伽马射线流强(红点)和传统理论模型预期(灰色阴影)的比较。浅蓝色阴影区域为传统模型增大3倍或2倍的结果。左图为内银盘区域,右图为外银盘区域。 

该工作由紫台博士研究生张瑞和山东大学博士研究生赵世平(现紫台博士后)在袁强研究员和张毅研究员的指导下完成;紫台黄晓渊研究员、中国科学院高能物理研究所席绍强博士、中国科学技术大学于艳红博士对该工作做出了重要贡献。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院和江苏省等项目的资助。 

文章链接:https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.131.151001 

Physics评论文章:https://physics.aps.org/articles/v16/169