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中国科学家发现银河系中心存在高能粒子加速器,17个月结束全程研究,被Nature Asia选为亮点研究

2021-11-18 16:57     来源:DeepTech深科技     粒子加速器宇宙射线伽马射线
他是 85 后科学家黄晓渊,日前他发表了回国后的第一篇重要影响论文,耗时不到一年半。


图 | 黄晓渊(来源:黄晓渊)

研究中,他和团队发现银河系中心存在高能粒子加速器,且发现在银心附近的中心分子云区域的宇宙线能量密度比分子云外的宇宙线 “海” 的能量密度更低。假如再对银河系中心进行精确的 3D 建模,即可为人类理解宇宙线起源带来新见解,还可帮助我们更好地理解宇宙线在银河系中心的传输。

11 月 9 日,相关论文以《中心分子云中的GeV-TeV粒子新成分与对宇宙线“海”的磁壁垒》(A GeV-TeV particle component and the barrier of cosmic-ray sea in the Central Molecular Zone)为题发表在 Nature Communications 上。


图 | 相关论文(来源:Nature Communications)

对于该成果审稿人评价称,这是第一个确认银心 PeV 源的低能对应的研究,且第一次发现了宇宙线在银心附近具有更低的密度,这对理解银心宇宙线的加速与传播有非常重要的意义。论文发表之后,还被 NatureCommunications 选为编辑推荐及被 Nature Asia 选为研究亮点。

宇宙线是重要研究信使

作为在极端天体环境中生成的高能带电粒子,宇宙线是一个重要的研究信使,粒子加速、星际磁场、星际介质湍动属性等物理 & 天文问题,都离不开宇宙线。可以说,它也是人类认识宇宙的重要窗口。

当宇宙线被加速到相对论性能量之后,它便会在银河系磁场中进行扩散和传播,期间会遭遇碰撞碎裂,也会面临能量损失。


(来源:Nature Communications)

恰恰正是这一传播过程,导致一片在大尺度上处于近似稳衡态的宇宙线 “海”,可以存在于银河系中。在空间分布上,这片 “海” 没有突变,因此相对更平滑。

但是距离宇宙线加速源较近的地方,相对银河系来说,它的尺度比较小,会导致新加速的宇宙线叠加在一个近似常数的背景上,这时就会出现局部“热斑”。考虑到宇宙线碰撞星际介质时,会产生伽马射线,故此宇宙线的起源和传播等研究,可借助伽马射线来完成。

一直以来,天文学家最关注的天体实验室之一正是银河系中心。在银河系的银心里,含有大量超大质量黑洞、各类天体、以及潜在的大量暗物质,这种神秘也让科学家始终对银心研究抱有兴趣。


(来源:Nature Communications)

2016 年,位于纳米比亚的、研究甚高能伽马射线天体物理学的主要天文台之一H.E.S.S. (High Energy Stereoscopic System),对银心周围的弥散伽马射线辐射做了观测,银心持续存在的宇宙线加速现象借此被发现,在该现象之下,宇宙线可被加速到 PeV(1000万亿电子伏特)能量。这一发现证明黑洞过去的活动可能和宇宙线的加速有关,同时也是人类发现的第一个能加速到位 PeV 的一个源圆。

科学家们推测,银心超大质量的黑洞活动,很有可能和这一加速源存在关联。原因在于,既然能加速到如此之高的能量,那么稍低一些的能量应该也能加速,所以科学家们就去找高能源的对应。

此前已有一些科研团队发论文,去寻找线索但是没有找到。可以预期,如果银心能将宇宙线粒子加速到 PeV 能量的话,必然也应该加速大量的低能宇宙线,因此将在较低能的伽马射线上留下信号。之前有一些研究试图去寻找这一低能对应体,但由于银心的辐射过于复杂,没有找到明确的对应体。在该背景下,黄晓渊立项了本次项目。

通过费米卫星的伽马射线数,详细研究银心周边区域的宇宙线分布

黄晓渊发现此前的研究中有一个可能和暗物质相关的、特别重要的地方被漏掉了。他之前一直做暗物质信号寻找,对此比较熟悉,这个特殊的成分虽然主要贡献在 GeV 附近,但还有一个尾巴延伸到更高能量处,可能会影响 PeV 源的低能对应体的寻找。

在此背景下,中科院紫金山天文台的黄晓渊研究员、袁强研究员和范一中研究员,试着用费米卫星积累了 11 年的数据分析银河系中心附近的伽马射线辐射,通过将银心的各个辐射组分进行了仔细的区分,终于以比较信服的证据揭示出该加速源的低能对应体。

研究中,黄晓渊做了较多伽马实验数据处理,并同袁强和范一中两位研究员一起类比太阳风的调制现象,对银心附近的宇宙线做了一个小型传播模型。

在较低的能段中,H.E.S.S.等天文台发现的PeV加速源的低能对应体,在此次研究中得到验证。

就能谱的分布来说,H.E.S.S 和 MAGIC(Major Atmospheric Gamma Imaging Cherenkov Telescopes,加那利群岛拉帕尔马岛的穆查丘斯罗克天文台)这两个天文台的甚高能观测结果,能和费米卫星的测量结果,以自然的方式衔接成为一个幂律谱。

就空间分布来说,H.E.S.S 和 MAGIC 在较高能段中得到的幂指数,与费米数据得出的幂率分布指数保持一致。

由此来看,银心存在宇宙线源的预测,得到了上述一致性的支持。同时也佐证了,横跨多条能量段的高能粒子,可得到宇宙线源的有效加速。


图 | 左为银心加速宇宙线辐射的伽马射线能谱;右为推断的宇宙线空间分布幂律谱指数(来源:紫台)

在银心周围的中心分子云区域中,黄晓渊等人还发现了这一现象:相比分子云外的宇宙线“海”,宇宙线的能量密度更低。


图 | 银心附近的宇宙线能量密度分布:棕线表示宇宙线能量密度在中心分子云中的分布,其规律为随着距离银心距离增加而下降;蓝线表示宇宙线海中的宇宙线能量密度,大约是个常数(来源:紫台)

这说明,宇宙线 “海” 中的高能粒子,之所以无法穿入上述区域,依赖于中心分子云的壁垒作用。至于其中的物理原因,大概率是由于分子云具备更高的磁场强度,因此宇宙线粒子能被屏蔽在分子云外。

类似的磁壁垒效应可能是宇宙线传播过程中存在的一个普遍性质,例如在我们的太阳系中已经观测到的宇宙线太阳调制效应。但太阳系的尺度小、磁场较弱,只能显著压低数十 GeV 以下的宇宙线;而该工作发现的银河系中心磁壁垒的尺度要大数个量级、磁场较强,可以有效地抑制 TeV 能量以下的宇宙射线的进入。这可能是目前发现的分布范围最大、效果最显著的磁壁垒结构。此外还可以预期,因为银河系的磁场强度也显著地比星系际磁场高,银河系整体也类似于一个大的壁垒,可以有效地将河外的低能宇宙线 “拒之门外”。

谈及研究中比较难忘的事,黄晓渊表示自己觉得研究过程充满巧合,竟然把银心 GeV 超出这个长久以来的暗物质探测研究热点,和银心的宇宙线放在一起分析。之前别人可能没太关注这块,而黄晓渊做了很多年的银心 GeV 超出相关研究,正好把其他领域不相关的放到宇宙线里边进行研究。借此机会发现了新的现象,这也算是比较巧合。

整个研究持续时间很短,从 2020 年 5 月开始做。之所以比较顺利,其一是因为之前大家做过类似研究,但是尚未有人考虑到暗物质。正好黄晓渊一直在做暗物质,当把这一成分放进来,自然就能比较自然地解释了相关天文现象中的巧合。

学习过高能天体物理的人就会知道,通常认为超新星遗迹是一类最可能的加速源候选体。该工作揭示了银河系中心超大质量黑洞过去的活动与高能宇宙线之间的联系,对理解宇宙线的起源和加速机制有重要作用;磁壁垒效应的发现也揭示了银河系中心复杂的物理环境对宇宙线传播的重要影响。黄晓渊表示,银心确实环境太过复杂,总会出现一些人类尚未理解到的奇怪现象。

曾在欧洲两所高校深造,目前已产出 3 篇 ESI 高被引论文

黄晓渊是四川人,生于 1985 年,本科毕业于北京师范大学物理学专业,2013 年在中国科学院大学天体物理拿到博士学位。

此后他出国深造,分别在德国马普物理研究所、德国慕尼黑工业大学和丹麦尼尔斯玻尔研究所,接受博士联合培养,并进行了博士后研究,期间还穿插一段在紫台的博后研究历程。

自 2020 年起,他正式加盟紫台,并担任研究员兼博士生导师。


(来源:紫台)

其研究专长为暗物质间接探测、高能天体物理、以及天体粒子物理,在复杂天体物理背景中利用伽马射线数据搜索暗物质信号,是他的最强专长之一。

自读博期间,他已在 JCAP、PRD、ApJL 等领域内主流期刊发表 20 余篇论文,目前已被国内外同行引用 1000 余篇次,并已产出 3 篇 ESI(Essential Science Indicators,基本科学指标数据库)高被引论文(top 1%)。

关于未来的研究计划,他表示银心确实是比较复杂,也有一些现象尚未得到很好的解释,比如费米气泡,这也是费米卫星升空以来最重大的发现。大家都认为,这可能和银心过去的活动有关,并且银心附近的宇宙线成分可能也和此活动相关。基于两者产生机制的关联,黄晓渊考虑是否能把这两者用一个较好的模型联系起来。

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