南方广域伽马射线天文台（Southern Wide-field Gamma-ray Observatory，简称SWGO）的科学前景

《Astroparticle Physics》：Science prospects for the Southern Wide-field Gamma-ray Observatory: SWGO

　　摘要
基于地面的伽马射线天文学现已成为解决粒子天体物理学和高能天体物理学前沿关键问题的重要观测方法。虽然TeV天文学领域一度由大气切伦科夫望远镜阵列主导，但现已证明，地面粒子探测同样是一种可行且互补的研究方式。地面粒子探测能够持续监测天空中的辐射，这对于绘制扩展结构图和捕捉瞬变现象至关重要。正如HAWC和LHAASO所展示的那样，这项技术在几十TeV以上的能量范围内具有最佳的灵敏度，并首次实现了对PeV能量范围的观测。尽管这种方法取得了成功，但目前尚没有主要基于地面粒子的观测站能够覆盖南半球的天区。位于纳米比亚的H.E.S.S.是南半球唯一的重大伽马射线仪器，它揭示了银河系内部的TeV波段的丰富特性，但在视场和能量覆盖范围上存在局限性。SWGO（南方宽场伽马射线天文台）是一个国际合作项目，旨在建造首个在100GeV到PeV范围内具有深度灵敏度的宽场仪器。该项目目前已接近开发阶段尾声， Chile的建设准备工作也已经开始。本文将介绍SWGO的基本设计、预期灵敏度和分辨率，并详细阐述该新设施将研究的主要科学课题。我们认为SWGO将在从宇宙射线加速和传输到暗物质本质等多个领域产生变革性影响。作为未来十年多信使天文学的关键基础设施之一，SWGO与附近的CTAO天文台具有强大的科学协同效应。除了其核心科学目标外，SWGO还致力于与阿塔卡马地区的社区合作，支持当地教育活动，并寻求将当地知识和传统融入天文台的任务中。

引言
自从1989年基于地面的伽马射线天文学诞生以来，这一领域迅速发展 [1]。这种研究方法涉及粒子/天体物理学以及高能天体物理学，适用于光子能量高于约2×10^10电子伏特的情况，成为多信使和多波长（MM/MWL）天文学中的强大工具。目前存在两种互补的地面观测方法：成像大气切伦科夫望远镜（IACT）阵列和地面粒子探测器。IACT在早期发展中占主导地位，但在北半球，地面粒子探测器现已得到广泛应用。IACT具有高精度和低能量区域的探测能力，尤其是在TeV能量范围内表现出优异的背景抑制能力。然而，它们是定向仪器，视场有限且仅在夜间运行。而地面粒子探测器可以全天候观测整个天空，尽管分辨率较低，但能够探测到最低能量的辐射。

非常高空下的伽马射线天文研究最初与西藏空气簇射阵列 [2] 相关，后来在同一地点又实施了ARGO阵列 [3]。开创性的Milagro探测器首次展示了地面粒子探测方法的潜力，通过水作为产生切伦科夫辐射的目标介质实现了对第一个源的探测 [4]。显然，需要更高海拔的探测器来更接近相关能量的空气簇射的最大发展深度（约400克/平方厘米在1TeV）。2015年，HAWC阵列在墨西哥海拔4.1公里处建成 [5]，标志着地面粒子探测器灵敏度达到了一个关键水平，使其与更成熟的IACT相比优势明显。根据TeVCat [6]的数据，HAWC发现了许多新源，并显著提升了我们对许多源的认识。HAWC的科学成就包括利用附近脉冲星限制了宇宙射线在星际介质中的传输 [7]，并证实射流微类星体能够将粒子加速到超高能量（UHE，Abeysekara等人 [8]）。2021年，LHAASO设施在中国四川省道城县建成，海拔4.4公里。LHAASO包含两个地面粒子探测组件：水切伦科夫探测器阵列（WCDA），其密度是HAWC中心的约3.5倍；以及平方公里级稀疏阵列（KM2A），后者由埋藏的μ子探测器组成，填充率为4%，表面闪烁体探测器覆盖了阵列面积的0.5%。凭借其μ子标记能力和大面积，KM2A将伽马射线天文学的研究范围扩展到了PeV领域 [9]。H.E.S.S.（纳米比亚的五个IACT阵列）的观测揭示了银河系内部的丰富粒子加速器群体 [10]，但其对50TeV以上能量的探测灵敏度有限，仅能探测到最亮的源 [11]。CTAO天文台（CTAO）计划在智利设立南方站点，将大幅提高探测深度和分辨率 [12]，但目前南半球尚无主要的宽场超高能（VHE/UHE）仪器，尽管玻利维亚正在开发ALPACA这样的UHE专用仪器 [14]。

位于南半球的宽场天文台，如果具有与LHAASO相当的能量范围和灵敏度，将补充CTAO的功能，特别是在瞬变现象、大尺度辐射和UHE源的研究上。本文将介绍基于水切伦科夫探测器（WCDs）的南半球新型地面伽马射线天文台的预期科学性能。第2节介绍该项目，第3节总结选址和设计，第4节讨论预期性能，后续章节将重点讨论SWGO的预期科学影响。

SWGO项目
南方宽场伽马射线天文台（SWGO）合作项目成立于2019年，整合了LATTES [15]和SGSO联盟 [16]等早期概念和努力。该天文台的核心理念是：
- 基于地面粒子探测的伽马射线天文台，几乎实现100%的工作周期和几立体角的视场（FoV）；
- 位于南美洲，纬度在?30至?10度之间；
- 位于海拔4.4公里或更高的地方；
- 覆盖广泛的能量范围。

基线设计
SWGO合作项目现已进入第8阶段——基线设计的定义阶段。阵列选址已完成，整体布局确定，探测器单元设计也基本固定（至少对于阵列内部部分）。本节将简要概述这些设计方面，讨论仍有选择空间的领域，并指出项目已获得资金支持及未来可能的扩展方向。

性能
本节讨论使用第3.2节描述的参考布局时SWGO的预期性能，该布局的表面积为1平方公里。图3展示了三个区域的填充率分别为70%、4%和1.7%的情况。以下内容将以此布局作为SWGO进行讨论。

第3.1节“SWGO选址”和第3.4节“SWGO-A”分别描述了构建这一大型仪器的第一阶段和扩展阶段。图5展示了SWGO-A的布局。

前几代仪器已经探测到多种银河系源，包括脉冲星风星云（PWNe）、超新星遗迹（SNR）、恒星形成区（SFRs）、TeV晕、脉冲星、伽马射线双星系统和微类星体（详见第5.4节）。大量新发现来自HEGRA、H.E.S.S.、VERITAS、MAGIC、Milagro、TIBET ASγ、HAWC、LHAASO和费米伽马射线空间望远镜的观测，这凸显了无偏观测的重要性。

瞬变源和变源
SWGO将提供广泛的天空覆盖范围，能够实现高变辐射的连续监测和实时探测，不仅包括活动星系核（AGN）的耀斑，还包括如伽马射线暴（GRBs）等瞬变现象，这些现象可能在没有预警的情况下出现在天空的任何位置。凭借其广阔的视场，SWGO能够同时记录多个区域的伽马射线通量突然增加，而无需重新对准特定源。

粒子物理学与标准模型之外
SWGO独特的宽视场、宽能量范围以及位于南半球的特点将有助于我们了解粒子物理和基础物理学。这包括探测洛伦兹不变性、测试各种暗物质（DM）粒子候选者（如WIMPs和原初黑洞（PBHs），以及探索标准模型之外（BSM）理论预测的微妙特征。

宇宙射线测量
除了广泛的伽马射线研究领域，SWGO还将成为研究TeV–PeV范围内带电宇宙射线（CRs）的独特工具。其大面积有效区域和先进的μ子计数能力，加上位于南半球的优越位置，将有助于解决TeV–PeV宇宙射线天体物理学中的关键问题。

多信使和多波长研究
SWGO将成为南半球首个宽场、高工作周期的VHE–UHE时域天文台，与CTAO-South的定向观测形成互补。从项目初期开始，SWGO合作项目就致力于与CTAO密切科学合作，认识到两者之间的强烈协同性和互补性。凭借其宽视场、高工作周期和持续监测策略，SWGO将成为多信使/多波长天文学的基石。

外展与传播
除了强大的科学目标外，SWGO合作项目还非常重视科普和教育工作的开展。通过官方网站www.swgo.org和YouTube频道，项目积极向公众传播最新信息和正在进行的活动。

总结
SWGO项目正迈向建设阶段，将成为南半球第二个重要的基于地面的伽马射线天文台，与CTAO Southern Array齐名。本文展示了SWGO预期带来的广泛科学影响。在其初步阶段（SWGO-A），通过观测银河系中心、明亮的银河源（如RX J1713.7?3946和SN 1006）以及大质量恒星团等对象，SWGO已经能够解决关键科学问题。