紫金山天文臺等在銀心中微子和伽馬光子輻射研究方面獲進展

2020-11-24 光明網

　　一個由中國科學院紫金山天文臺、日本京都大學、日本理化學研究所、美國加州大學洛杉磯分校等機構科研人員組成的國際合作團隊對高能立體望遠鏡系統（H.E.S.S.）觀測到的來自銀河系中心的能量約為1TeV（1012電子伏特）以上的高能伽馬光子作出理論解釋，並對高能伽馬射線望遠鏡（如切倫科夫望遠鏡陣列CTA、高海拔宇宙射線探測器LHAASO）和中微子探測器（如南極冰立方中微子天文臺IceCube）對銀河系內恆星形成區及銀心區域的探測作出預言。這項工作發表在《天體物理雜誌》（TheAstrophysical Journal）。

　　H.E.S.S.觀測到來自銀心的能量高於約10TeV的高能伽馬光子，其輻射與銀心附近的分子雲分布成協，暗示銀心附近可能存在一個PeV（1015電子伏特）宇宙射線加速器（PeVatron）。該團隊提出假設，認為銀心處過去形成的極超新星（Hypernova）是可能的加速器，其爆發能量及噴流速度都遠高於普通超新星，產生的極超新星遺蹟能夠加速宇宙射線質子到能量高於1PeV。被加速的高能宇宙射線被注入到中心分子雲區域（Central Molecular Zone）及銀心區域周圍的星系際介質中，在其中傳播並與之反應，產生高能伽馬光子和中微子。

　　紫金山天文臺副研究員賀昊寧等人首先採用流體力學數值模擬結合非線性彌散激波加速模擬了極超新星遺蹟超過1000年的演化，並得到其向銀河系中心注入的高能宇宙射線的演化能譜；估算了極超新星遺蹟注入銀心區域的高能宇宙射線在銀心區域的擴散，進而計算了其與銀心區域分子雲及星系際介質反應產生的伽馬射線與中微子輻射強度。這一模型解釋了H.E.S.S.觀測到的能量約為1TeV以上的伽馬射線輻射（圖1）。將來的高能伽馬射線望遠鏡CTA望遠鏡南站50小時曝光的觀測即可對這一模型作出限制。目前高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）的1/2陣列正在運行中，該工作預測LHAASO完全建成後運行一個月即可能觀測到來自銀心方向的高能伽馬光子或對模型作出限制。

　　合作團隊計算了冰立方十年積分後可能觀測到的來自銀心方向的中微子數目，並預測了銀心方向的中微子分布模版（圖2），可以幫助冰立方更有效地分辨出來自銀心的中微子信號。該工作還預言在約7-20年冰立方探測時間內可以探測到1個高能起始事件（HESE），與觀測相符。目前，雖然冰立方基於6年的觀測報導了離銀心1.2度的一個高能起始事件（HESE），然而由於這一個級聯型事件的重建角度不確定性很大，目前仍不能聲稱發現了銀心方向的中微子源。

    圖1 表示對銀心區域環狀區域（內徑為0.1度，外徑為0.3度，中心為Sgr A*）積分後的伽馬射線流量與H.E.S.S.望遠鏡觀測到的高能光子輻射比較。彩色對應不同的高能宇宙射線注入時間。黑線為總的伽馬射線能譜。藍色數據點為H.E.S.S.望遠鏡的觀測數據。藍虛線為CTA南站50小時曝光時間對應的靈敏度。

圖2 銀心區域附近的繆子中微子分布模版，分別對應不同參數。綠色圓圈對應以銀心為中心半徑為1.8度的區域。

[ 責編：戰釗 ]

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