基于LHAASO观测研究Geminga甚高能γ辐射及电子传播

A very important development in the field of cosmic rays over the past decade has been the discovery that cosmic ray electron spectroscopy has exceeded the cosmic line standard propagation model above GeV, and its causes have become an important frontier scientific problem at present. Very high energy gamma rays are important probes to study the origin, acceleration and propagation mechanism of relativistic electrons, and the pulsar Geminga adjacent to the earth is one of the ideal candidate sources for electrons beyond the source, and significant extended gamma radiation has been observed in the TeV segment, and the Geminga in-depth observation studies It is of great significance to understand the propagation of cosmic rays and the excess of electrons near the earth. The project plans to use the unique advantages of high sensitivity, large field of view and all-weather in the very high energy region of the LHAASO experiment to accurately measure the very high energy gamma spectrum structure of Geminga and the spatial distribution patterns under different energies for the first time, and to explore the energy spectrum evolution characteristics and physical internal causes of pulsars and their nebulae.A more accurate electronic propagation model of multi-energy zone is established to provide more valuable physical results for electrons near the earth, and to provide clues and basis for major scientific problems such as dark matter physics.

在过去十年宇宙线领域一个非常重要的进展就是发现宇宙线电子能谱在百GeV以上超出宇宙线标准传播模型，其成因也成为当前重要的前沿科学问题。甚高能γ射线是研究相对论性电子起源、加速及传播机制的重要探针，地球邻近的脉冲星Geminga是电子超出来源的理想候选源之一，在TeV能段已观测到显著的扩展γ辐射，Geminga的深入观测研究，对理解宇宙线传播和地球附近电子超出问题具有重要意义。本项目计划利用LHAASO实验在甚高能区高灵敏度、大视场、全天候的独特优势，首次精确测量Geminga的甚高能γ能谱结构，以及不同能量下空间分布形态，探究脉冲星及其星云的能谱演化特性和物理内因，建立更准确的多能区电子传播模型，为地球附近电子超出问题提供更具价值的物理结果，同时为暗物质物理等重大科学问题提供线索和依据。

本项目的物理动机是围绕（Large High Altitude Air Shower Observatory）LHAASO观测来自Geminga的伽马辐射，计算电子扩散系数，检验轻子模型，并对Geminga源是否为地球附近电子超出作出判别。项目在执行过程中，完成了伽马halo的理论研究和计算，并依据halo模型计算了电子扩散系数。该项研究基于LHAASO子阵列1平方公里阵列KM2A，该探测器覆盖面积约为1.3km2，主要面向超高能（>10TeV）伽马天文物理的研究。结合LHAASO运行和数据累计情况，对各运行阶段的数据完成了对Pulsar（Geminga源，J1740+1000源）的观测和分析，pulasar halo的理论研究。通过对halo 的形态分析来测量宇宙线的扩散系数，在 LHAASO观测中，我们明显看到了Geminga 和PSR B0656+14（Monogem）两个源，二者年龄相似，空间距离比较近，这两个源的伽马辐射尺度比较大，在∼30pc 量级，能谱和形态结构表明Geminga 的电子扩散系数为11.57e27(cm-2s-1)。另一方面，在本项目的资助下，同时支撑了对另一个存在pulsar halo的源J1740+1000的分析研究，完成了相关的数据物理分析。TeV halo是Pulsar gamma射线源的一个重要空间形态分别形式，现在对pulsar halo的观测数据逐渐累积，本项目的相关研究结果，对理解Pulsar halo中粒子加速机制和传播机制具有很重要的价值。