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    我国学者在认证银心PeV宇宙线源的低能对应体方面取得进展

    日期 2021-12-02   来源:数理科学部   作者:刘强 黄晓渊  【 】   【打印】   【关闭

      在国家自然科学基金项目(批准号:11921003、U1738205、U1738210)资助下,中国科学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团队利用费米卫星的伽马射线数据仔细研究了银心附近区域的宇宙线分布,在较低的能段认证了H.E.S.S.等发现的PeV加速源的低能对应体,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。研究成果以“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,于2021年11月9日发表于《自然·通讯》。论文链接https://www.nature.com/articles/s41467-021-26436-z。

      银河系的中心长期以来一直是天文学家最为关注的天体实验室之一。银心包含有超大质量黑洞、大量的天体以及预期存在的大量暗物质等,这使得人们对银心的研究兴趣长久不衰。2016年,H.E.S.S.通过观测银心附近的弥散伽马射线辐射,发现银心存在持续的宇宙线加速现象,且可以将宇宙线加速到PeV能量,该加速源很可能和银心的超大质量黑洞的活动有关。基于费米卫星的在轨观测数据,该研究团队在较低的能段认证了H.E.S.S.等发现的PeV加速源的低能对应体,其能谱如图1(左)所示,费米数据揭示出的宇宙线空间分布进一步证实了两者具有共同的起源。

      此外,该研究团队还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(图2)。这意味着中心分子云扮演着一个壁垒的角色,有效的阻止了宇宙线“海”中的高能粒子穿入该区域。其物理原因可能是因为分子云中的磁场强度更高,将宇宙线粒子屏蔽在分子云外。

      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附近复杂的物理环境对宇宙线传播的重要影响。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;而我们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,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”。

    图1 银心加速宇宙线辐射的伽马射线能谱(左)和推断的宇宙线空间分布幂律谱指数(右)

    图2 宇宙线在银心附近的能量密度分布,棕线表示宇宙线能量密度在中心分子云中的分布(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(大约为常数)




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