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宇宙线起源的天文和物理交叉前沿专辑

已有 6755 次阅读 2015-10-29 15:56 |系统分类:论文交流

封面说明本期出版了宇宙线起源的天文和物理交叉前沿专辑. 封面图片是我国正在立项建设的“高海拔宇宙线观测站” (LHAASO), LHAASO观测站总占地面积约2000亩, 包括由多种探测器阵列组成的观测基地(海拔4410m)和测控基地(海拔3750 m). 封面图中的蓝色水池为水契伦科夫探测器阵, 周边的黄色圆点为地面阵列探测器, 上方为由大气荧光暨契伦科夫望远镜和簇射芯探测器组成的中心阵列. LHAASO计划的核心科学目标是探索高能宇宙线起源以及相关的宇宙演化、高能天体演化和新物理前沿的研究. LHAASO将建成有多国参与的国际高海拔宇宙线研究中心, 成为具有国际竞争力、独具特色的综合开放式科学研究平台, 为开展天文学、宇宙学、粒子物理、空间环境等多种形式的前沿科学交叉研究提供天然的实验平台, 为国家相关科技发展需求做出重要的贡献.

　　一百年前, 人们为研究空气里异常放电现象的起源, 在海水下和隧道里, 在埃菲尔铁塔上和高山上, 还在极具危险性的高空气球上开展了大量的实验, 最终发现了来自地球之外的宇宙线. 随后几十年中, 人们从宇宙线研究中发现了众多的基本粒子, 在粒子物理学的发展中发挥了重要作用. 尽管目前世界上最大的LHC加速器可以把质子能量加速到7 TeV左右, 但与自然的加速器相比, 仍相差千万倍的量级. 宇宙加速器是什么? 它们是如何工作的? 在如此高的能量下, 物理学基本规律是否会发生变化? 为回答这些科学问题, 今天的科学家也与一百年前的前辈类似, 在地面、天上、海底还有冰下, 发明了各种方法, 通过多波段和多信使的观测开展研究.

　　近十年是宇宙线研究的重大发展时期, 每个研究方向, 包括带电宇宙线、伽玛天文和中微子天文等许多方面都获得了革命性的成果. 空间实验把10 GeV到TeV能区的宇宙线研究带入到精确测量的时代, 发现了10 GeV以上能区的正负电子超出和TeV能区的宇宙线能谱变硬等异常现象. 地面实验则精确测量了TeV能区宇宙线两维的各向异性, PeV能区的宇宙线能谱和成分测量也日趋精确, 不同实验结果日趋接近. 此外, 亚EeV直至极高能的宇宙线的能谱和成分测量也获得了重要进展.空间和地面伽玛天文实验发现了大量的品种繁多的河内外新源, 使GeV源的数量超过了3000, TeV源的数量超过了150, 空间实验还发现了几十个高能伽玛射线暴. 这些发现为宇宙线起源和高能天体辐射研究提供了大量的信息, 人们首次确认了两个超新星遗迹为高可信度的银河系强子源;以高红移的伽玛源为探针, 河外背景光的测量精度有了极大的改进; 量子引力效应及星系际磁场模型也得到了更为严格的限制.不久前, 南极冰立方实验(IceCube)在高能中微子观测方面也取得了重大突破, 首次发现了来自地球之外的高能中微子. 这些重要成果把粒子物理学、天文学和宇宙学紧密的联系在一起, 正预示宇宙线研究迎来了一个新的高速发展时期.

　　我国宇宙线研究具有悠长的历史. 20世纪50年代到70年代, 研究人员在云南落雪山建立了宇宙线观测站, 80年代转战到西藏5000 m海拔的甘巴拉山, 后来又在海拔4270 m的羊八井建成了举世闻名的羊八井观测站且运行至今(2015年). 羊八井的中日合作和中意合作实验在伽玛源观测, 宇宙线能谱测量和各向异性测量方面都做出了重要的工作.21世纪里, 我国研究人员提出了更为宏伟的高海拔宇宙线观测站LHAASO计划, 并被列入国家发展和改革委员会“十二五”规划. LHAASO项目的科学任务重大, 需要粒子和天文等领域的通力合作. 为此, 我国宇宙线和天文学的研究人员于2014年12月17–19日组织召开了以“宇宙线起源的天文和物理交叉研究前沿”为主题的“518次香山会议”. 来自国内外20个相关单位共40多位中外专家学者应邀出席了讨论会, 围绕上述主题, 共同研讨了4个方面的问题, (1) 超新星遗迹河内主要γ射线源的研究进展, (2) 宇宙线河外起源的相关天体研究前沿(GRB, AGN,磁星, 超超新星, 射电星系), (3) 宇宙线起源的理论进展, (4) 高能宇宙线观测研究现状(与未来). 根据会上的报告和讨论, 我们组织本期专辑的文章. “伽玛射线超新星遗迹研究新进展”, “高能伽玛射线观测研究进展和展望”和“米波射电观测研究银河宇宙线的分布和起源”就问题(1)的研究现状进行了综述. “伽玛射线暴的高能辐射”, “TeV耀变体”, “河外极高能宇宙线的起源”和“高能中微子天文观测进展”则分别从几个方面介绍问题(2)的研究现状. “宇宙中高能带电粒子的加速”介绍了宇宙线加速理论的研究现状. “暗物质粒子探测卫星及邻近的电子宇宙射线源”和“天山射电实验探测超高能中微子和宇宙线”讨论了问题(4)的内容. 为此, 我们感谢专辑中各位作者的贡献.

　　除了这里发表的10篇文章外, 由中国科学院高能物理研究所胡红波研究员根据本次香山会议主题报告“宇宙线起源中物理学前沿问题”^[1]整理而成的综述文章将在《科学通报》中文版上发表, 有兴趣的读者可以参考.

中国科学院高能物理研究所曹臻

中国科学院国家天文台田文武

中国科学院高能物理研究所胡红波

2015年10月

参考文献

1 Hu H B, Guo Y Q. Physics frontier problem in the origin of cosmicray (in Chinese). Chin Sci Bull, doi: 10.1360/N972015-00702 [胡红波, 郭义庆. 宇宙线起源中物理学前沿问题. 科学通报, doi: 10.1360/N972015-00702]

宇宙线起源的天文和物理交叉前沿专辑·编者按

曹臻, 田文武, 胡红波

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(11): 119501

伽玛射线超新星遗迹研究新进展

张潇, 陈阳

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(11): 119502 | doi:10.1360/SSPMA2015-00284

高能伽玛射线观测研究进展和展望

陈松战

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(11): 119503 | doi:10.1360/SSPMA2015-00281

米波射电观测研究银河宇宙线的分布和起源

朱辉, 田文武, 苏洪全, 吴丹

中国科学: 物理学力学天文学, 2015, 45(11): 119504 | doi:10.1360/SSPMA2015-00158