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甚高能γ 射线天文观测的利器
——成像大气切伦科夫望远镜

2021-10-15陈天禄刘茂元马帅康肖迪泫

天文学进展 2021年3期
关键词:大气

高 启,陈天禄,刘茂元,马帅康,肖迪泫

(1.西藏大学 宇宙线教育部重点实验室,拉萨 850000;2.西藏大学 物理系,拉萨 850000)

1 引言

天体源辐射的甚高能(very high energy,VHE,30 GeV~30 TeV)及以上能区γ射线被认为几乎完全是由相对论性运动粒子与周围物质或光子场的相互作用产生的,通过VHEγ光子的测量,我们能够得到宇宙中高能粒子的起源、加速和传播信息,以及这些过程发生的极端环境[1–4],如:银河系和河外星系宇宙线的起源,极端环境下宇宙线粒子的加速和传播过程,γ射线暴(Gamma ray bursts,GRBs)等非热暂现现象等。同时,这些VHEγ射线也为多波段、多信使天体物理学研究提供了一个独特的工具,例如:河外背景光(extragalactic background light,EBL)和星系间磁场信息可以通过河外源γ射线的测量来获知;潜在暗物质粒子的特征γ射线也可能位于VHE 波段[5]等。

由于地球大气层对高能光子吸收非常严重,探测宇宙γ射线的最理想方法是将探测器送入太空进行直接测量。然而空间探测器因载荷原因致使有效面积十分有限,而宇宙γ射线流强随能量呈幂律谱急剧下降,在较高能量时光子流强非常低。因此,要研究VHE 及以上能区宇宙γ射线,需要一个拥有巨大有效面积的探测器,这远远超出目前星载设备的实际尺寸(约1 m2)。大气切伦科夫望远镜通过测量宇宙γ射线引发的大气粒子级联(广延大气簇射,extensive air shower,EAS)产生的切伦科夫光来进行间接测量,把地球大气层作为探测介质,目标收集面积很容易超过105m2。

大气切伦科夫望远镜技术在γ射线天文学中的应用开始于Jelley 和Galbraith 在20世纪50 年代的探索。……

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