微类星体V4641 Sgr作为宇宙线超PeVatron的LACT深度探测研究

本研究针对宇宙线（CRs）起源的核心难题，聚焦微类星体V4641 Sgr这一潜在的“超PeVatron”（能加速粒子至10 PeV以上）。研究人员利用在建的大型切伦科夫望远镜阵列（LACT），通过大天顶角观测策略，旨在精确测量该源在超高能（UHE, E > 100 TeV）伽马射线波段的形态和能谱。模拟结果表明，LACT首期阵列（P-1）即可有效区分不同的能谱截断能量（Ecut）和辐射形态模型，为揭示其粒子加速极限（最高达~0.8 PeV）和加速机制提供关键观测依据，对理解银河系宇宙线“膝区”成因具有重要意义。

　　

在浩瀚的宇宙中，存在着一种神秘而强大的高能粒子流——宇宙线（Cosmic Rays, CRs）。它们以接近光速的速度在星际空间中穿梭，但其源头究竟在哪里，一直是天体物理学领域最引人入胜的谜题之一。特别是宇宙线能谱中那个明显的“膝”结构（能量在~3 PeV附近能谱变软），仿佛在暗示我们，银河系内存在着某些极其强大的天然粒子加速器，能够将粒子加速到惊人的PeV（10¹⁵电子伏特）能量量级，这类天体被科学家们形象地称为“PeVatron”。而如果某些天体能够突破这一极限，将粒子加速到10 PeV以上，它们则被称为“超PeVatron”（super-PeVatron），这直接关联到宇宙线能谱中从银河系起源到河外起源的过渡（即~5 EeV的“踝”结构）。找到并研究这些“宇宙线工厂”，是理解宇宙线起源的关键。

近年来，随着大型高海拔宇宙线观测站（LHAASO）等新一代探测器的建成，科学家们已经将目光锁定在一些极具潜力的候选天体上。其中，微类星体（microquasar）V4641 Sgr表现尤为突出。微类星体是银河系内包含恒星质量黑洞的双星系统，黑洞吸积伴星物质并喷射出接近光速的喷流，其巨大的能量和特殊的物理环境使其成为理想的粒子加速场所。LHAASO的观测数据显示，来自V4641 Sgr方向的伽马射线能谱呈现出幂律分布，且一直延伸到0.8 PeV的超高能区间，没有明显的截断迹象，这使其成为“超PeVatron”的完美候选体。然而，现有的观测数据也留下了许多悬而未决的问题：它的辐射区域具体结构是怎样的？是延展的喷流，还是由两个喷流终端激波产生的致密辐射区，亦或是宇宙线粒子各向异性扩散形成的晕状结构？其能谱的截断能量（E_cut）究竟有多高，这直接决定了其粒子加速能力的上限。回答这些问题，对于最终确认其“超PeVatron”的身份并深入理解其加速机制至关重要。

为了解决上述问题，一项利用新型探测设备——大型成像大气切伦科夫望远镜阵列（Large Array of imaging atmospheric Cherenkov Telescopes, LACT）对V4641 Sgr进行深度探测的研究被提出，相关成果发表在《Research》上。成像大气切伦科夫望远镜（IACT）和空气簇射阵列（Air Shower Array, ASA，如LHAASO）是探测超高能伽马射线的两种主要地面手段。ASA在超高能区灵敏度高但角分辨率相对较差，而IACT则具有优越的角分辨率，但在超高能区的灵敏度会下降。V4641 Sgr的天球坐标决定了从LHAASO台址对其进行观测时，天顶角较大（>55°），每日有效观测时间有限，这限制了LHAASO对其精细结构的探测能力。而正在LHAASO台址建设的LACT，其独特的设计（特别是针对大天顶角观测优化）有望结合高灵敏度和高角分辨率的优势，为破解V4641 Sgr之谜带来突破。

为开展研究，作者主要应用了以下关键技术方法：利用LACT首期建设的4台望远镜（P-1阵列）进行观测模拟。LACT望远镜采用6米直径戴维斯-科顿（Davies-Cotton）设计反射镜，相机由1616个硅光电倍增管（SiPM）像素组成，视场直径8°。研究采用了专门的模拟工具包，模拟了大气簇射发展和详细的探测器响应。基于LHAASO和HAWC的观测提示，设定了V4641 Sgr的能谱为幂律指数-2并带有指数截断的谱形，并针对三种不同的截断能量（E_cut = 0.3, 0.5, 1.1 PeV）场景进行了模拟。观测模拟考虑了从2026年10月到2027年4月的一个观测季，预计总曝光时间可达280小时。

结果

形态学与能谱测量

模拟结果显示，在30-100 TeV能段，LACT P-1阵列能够以高显著性（最高可达14σ）探测到V4641 Sgr。研究对比了两种可能的形态模型：一种是HAWC观测提示的两个点源模型（对应喷流终端激波），另一种是HESS初步结果支持的更复杂的延展结构模型。凭借LACT在超高能区优越的点扩散函数（PSF，约0.1°），P-1阵列在第一个观测季内即有潜力区分这两种形态场景。

在能谱测量方面，模拟表明LACT能够有效区分不同的截断能量假设。例如，在E_cut = 0.3 PeV场景下，预计能收集到超过370个100 TeV以上的γ射线事例，但在1 PeV以上则无预期事例；而若E_cut接近1.1 PeV，则预计在1 PeV以上能探测到超过16个事例。利用100 TeV以上的γ射线进行统计检验，E_cut = 0.3 PeV和1.1 PeV的场景与0.5 PeV基准模型的偏离显著性可分别达到7.1σ和5.7σ。这意味着LACT能够对粒子的最大加速能量给出强有力的观测约束。

深入分析潜力

研究进一步指出，如果V4641 Sgr的辐射来自不同起源粒子的混合贡献（例如喷流相关成分和中心黑洞相关成分），LACT凭借其高统计量（在30-100 TeV能区预计可探测~1200个γ射线事例）和高角分辨率，有可能解析出源的不同组分。即使辐射源于单一成分，LACT也能测量源内不同区域的能谱空间变化，以及进行能量依赖的形态学分析（例如在3-30 TeV，30-100 TeV和>100 TeV三个能段分别进行形态拟合）。这些分析将为理解源内的粒子注入和输运过程，乃至定位加速器位置提供至关重要的线索。

结论与讨论

LACT是下一代切伦科夫望远镜阵列，其首期P-1阵列针对大天顶角观测的优化设计，使其在对V4641 Sgr这类重要目标的研究中展现出巨大潜力。本研究通过详细的模拟分析表明，在即将到来的观测季中，LACT P-1阵列有望实现对V4641 Sgr能谱截断能量的精确测量，从而直接限定其粒子加速的最高能量。同时，其卓越的角分辨率将能够以前所未有的精度解析该源的形态结构，这对于判别其辐射机制（如判断是致密点源、延展喷流还是晕状结构）至关重要。

这项研究的意义在于，它预示着我们很快就能获得关于银河系内最强大的宇宙线加速候选体之一的关键信息，其能量远高于宇宙线能谱的“膝”区。对V4641 Sgr作为“超PeVatron”的确认和深入研究，将极大地推动我们对宇宙线起源这一基本科学问题的理解，并展示LACT这一新型观测设施在超高能伽马射线天文学领域的强大能力。研究成果将为构建完整的宇宙线加速源图像提供一块至关重要的拼图。