東京大學與中國科學院等組成的中日聯合研究團隊日前宣佈，發現了能將宇宙射線加速到極高能量狀態的神祕天體「PeVatron」存在於銀河系内的決定性證據。研究團隊在銀河系方向觀測到大量擁有史上最高能量的γ射線，由此結束了太空科學領域持續了60年的爭論。今後將繼續操作進行觀測，以發現PeVatron的真面目，明確其物理可用能面目。
地面觀測裝置與銀河系的合成影像。爲顯示出史上最高能量的γ射線，強化了天體的輝度（圖片：東京大學宇宙射線研究所若林菜穗提供）
宇宙射線是在太空中傳播的高能放射線，主要由質子構成。根據約60年前進行的觀測和之後的理論研究推斷，太空中存在能產生1皮（1皮爲1000萬億）電子伏（PeV）以上宇宙射線的超強天體。研究人員將這種天體稱爲PeVatron，科學家們圍繞其存在展開了爭論。
宇宙射線與星際物質碰撞後會釋放γ射線。γ射線與宇宙射線不同，並不受磁場的影響，呈直線傳播，因此可透過觀測應答其方向。要想獲得能證明PeVatron存在的證據，需要觀測到0.1皮電子伏以上的γ射線，但受宇宙射線噪音影響，此前一直很難觀測到。
研究團隊從1990年開始利用設置在西藏羊八井高原（海拔4300米）上的設備，開展了「西藏ASγ實驗」，連續觀測宇宙射線和γ射線。爲了把宇宙噪音降至100萬分之1，在地下設置了基本粒子之一「μ子」的檢測裝置。
在西藏設置的γ射線觀測裝置（左）與設置在地下的μ子檢測裝置（右）。（圖片：西藏ASγ實驗團隊提供）
研究團隊在2014～2017年進行了兩年的觀測，在銀河系方向發現23條強度約爲0.4～1皮電子伏的強γ射線。研究認爲，這些γ射線源自被銀河系内的某種天體加速到極高能量狀態的宇宙射線。研究團隊由此得出結論：找到了證明PeVatron過去或現在存在於銀河系内的決定性證據。
約1皮電子伏的γ射線相當於可見光的1000萬億倍，是觀測史上檢測到的最高能量的光。另外，觀測到的γ射線的量與理論預測一致，宇宙射線在被銀河系内的磁場封存數百萬年之後才能到地球。
沿着銀河系觀測到23條高能γ射線（黃點）。偏差銀河系的點被認爲是噪音。灰色色塊爲西藏無法觀測到的區域（圖片由西藏ASγ實驗團隊、HEASARC、LAMBDA、NASA和GFSC提供）
目前研究團隊正在南美洲玻利維亞建設相同的觀測設施，目標是觀測在西藏無法觀測到的銀河系中心附近區域，以便發現釋放更強宇宙射線的天體。研究團隊成員、東京大學宇宙射線研究所的助教川田和正在記者發佈會上稱：「這是一個偉大的發現，捕捉到了PeVatron釋放宇宙射線留下的足跡，也就是所謂的‘恐龍足跡’。希望最終能發現‘恐龍’本身，即PeVatron。尋找PeVatron的工作才剛剛開始，今後將變成熱門研究領域。」
研究團隊由日本的東京大學、橫濱國立大學、日本大學、神奈川大學以及中國科學院的研究人員組成。相關研究成果已於4月5日發表在美國科學期刊《Physical Review Letters》的電子版上。
論文資訊
論文題目：」First Detection of sub-PeV Diffuse Gamma Rays from the Galactic Disk: Evidence for Ubiquitous Galactic Cosmic Rays beyond PeV Energies」
期刊名稱：Physical Review Letters（日本時間4月5日深夜發表在電子版上）
URL：journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.126.141101
日文：JST Science Portal 編輯部
中文：JST客觀日本編輯部
