利用LHAASO实验数据开展甚高能伽马射线耀变现象的观测与研究

Flaring phenomena in astronomical observations such as AGN, GRB, FRB, GW, PWN, Gamma Ray Binary, and so on, are still puzzling humans. With the help of joint campaigns such as multi-wavelength and multi-messenger, these phenomena can be analyzed in depth to enhance our understanding on the evolution and the motion of these celestial bodies. The LHAASO experiment has the ability to conduct observation of such flaring phenomena in the Very-High-Energy range, thanks to its unique and significant advantages over other types of experiments in the research field. Around a quarter of the LHAASO detector array will be completed by the end of 2018, starting to acquire the scientific data, and the full array is going to be constructed and operated in the end of 2020. On this opportunity, with the data of LHAASO, especially that of LHAASO-WCDA, we can achieve the observational study on the VHE flaring phenomenon in many aspects. First of all, unknown flaring sources will be all-sky surveyed and many of this kind are expected to be discovered. Secondly, short-time bursts are to be revisited with the low threshold data in a following-up observation manner, and some periodic gamma ray emissions from some candidate sources are to be measured in very depth. Thirdly, long-term monitoring to some candidate sources is to be implemented, to dig out whether there are some physical laws hiding in those behaviors. Finally, essential physical analysis to the observation results are to be carried out, combining the input from theorists, aiming to accomplish numerous important scientific results.

天文观测中的一些耀变现象一直困惑着人类，例如活动星系核、伽马暴、引力波、快射电暴、脉冲星风星云、伽马双星等等。通过多波段或多信使的联合观测，可以对这些现象进行深入的分析，增强人类对天体演化与运动规律的理解。LHAASO实验具备对耀变现象在甚高能段的观测能力，相比同领域其它类型的实验享有独特而明显的优势。LHAASO 1/4阵列将于2018年底建成取数；全阵列也将于2020年底建造完毕。值此契机，借助于LHAASO尤其是WCDA产生的数据，可以从多个方面实现甚高能伽马天文耀变现象的观测研究。首先，将对未知耀变源进行巡天探测，争取发现大量的耀变源；其次，将对一些短时标暴进行追溯符合观测、对一些周期性辐射现象进行深度观测，探寻这些现象中是否存在甚高能辐射；然后，对一些候选耀变源进行长期监测，探讨这些耀变行为的规律。最终，还要对观测结果进行物理分析，结合理论模型，得到一批重要的科学成果。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO）的三大阵列是国际上领先的超高能宇宙线与甚、超高能伽马天文观测装置。LHAASO装置于2017年7月启动建设，先后经历1/4、1/2规模试运行，2021年7月全部建成并投入运行，截至目前已获取高质量数据两年。利用LHAASO开展甚高能伽马天文观测研究，对研究高能天体的粒子加速机制、传播机制，研究天体环境极端条件下的物理规律、发现新物理现象，对天体辐射规律的深入理解与理论模型的参数限制具有非常重要的意义。..本项目的主要研究内容聚焦于以耀变源为主的天体源的探测、观测以及相关的理论模型研究（注：中期考核时专家建议本项目增强河内稳定源的观测研究）。通过发展一系列的探测器数据获取、时间与效率标定、模拟、事例重建、数据处理、数据分析等技术、手段与工具，本项目人员深入分析了LHAASO工作于甚高能段的水切伦科夫探测器阵列（WCDA）的观测数据，对包括GRB、AGN等河外源，PWN、Binary、Pulsar等河内源开展了扫描搜寻、观测数据分析和物理分析。..通过四年的努力，伴随着WCDA探测器的逐步建成与分阶段运行，在本项目的支持下，我们获得多项研究成果。重要的物理成果包括：标准烛光Crab Nebula的亮度测定，给出了从500 GeV到1 PeV的伽马辐射能谱（与LHAASO另一装置KM2A合作，发表于Science）；给出了包括约26个新发现源、共约72个天体源的甚、超高能源表（与KM2A合作，已完成，即将投稿于ApJS）；首次测量到了GRB 221009A TeV余晖辐射的全过程，发现了快上升以及喷流截断等现象（Science审稿中）；Cygnus区域的伽马辐射分析，发现了辐射流强与分子云、原子氢的关联，预示着超高能宇宙线的起源（与KM2A合作，已完成，即将投稿于Nature）；以及借助GRB 221009A观测的洛伦兹不变性破坏的研究（撰写中，准备投稿PRL）、Gamma Cygni的观测研究（与KM2A合作，准备投稿一流期刊）、Mrk 421与Mrk 501的长时间监测（正在撰写中），等等。..以上数据分析成果，为本研究领域提供了重要甚至独有的观测数据样本，对这些数据的解读增强了人类对天体现象的认识和理解。随着文章的陆续发表、发布和后续广泛、深入的研究，部分成果有望被认可为本领域观测研究的重大阶段性进展。