前所未有的超高能區(qū)的精確測(cè)量
距離地球約6500光年的蟹狀星云，是為數(shù)極少在射電、紅外、光學(xué)、紫外、X射線和伽馬射線波段都有輻射的天體，是非常明亮且穩(wěn)定的高能輻射源，因此它被作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，即測(cè)量其他天體輻射強(qiáng)度的標(biāo)尺。
日前，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站”（簡(jiǎn)稱(chēng)拉索），精確測(cè)量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光的亮度，記錄到了能量達(dá)1.1拍電子伏（1拍=千萬(wàn)億）的伽馬光子，提供了2.3拍電子伏電子加速器存在的直接觀測(cè)證據(jù)，這比人類(lèi)在地球上建造的最大電子加速器LEP（歐洲核子研究中心的LHC前身）產(chǎn)生的電子束能量高兩萬(wàn)倍左右。
相關(guān)結(jié)果于北京時(shí)間7月9日在《科學(xué)》上發(fā)表，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的“拉索”國(guó)際合作組完成。
【比超新星爆震波的加速效率高約一千倍】
如同日地距離是一個(gè)常用的天文單位，蟹狀星云的標(biāo)準(zhǔn)燭光也是一個(gè)常用的天文單位。蟹狀星云誕生于公元1054年7月4日的一次超新星爆發(fā)，當(dāng)時(shí)中國(guó)、印度、阿拉伯和日本的天文學(xué)家都記錄了這一天文現(xiàn)象。這是現(xiàn)代天文學(xué)中第一個(gè)被認(rèn)證的具有清晰歷史觀測(cè)記錄的超新星遺跡，其中心有一顆以每秒鐘30圈快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星。
北歐光學(xué)望遠(yuǎn)鏡拍攝的蟹狀星云（Walter Nowotny 攝）
“拉索”此次對(duì)蟹狀星云進(jìn)行了重新觀測(cè)，記錄到了能量達(dá)1.1拍電子伏（1拍=千萬(wàn)億）的伽馬光子，由此確定在僅為太陽(yáng)系1/10左右（約5000倍日地距離）的星云核心區(qū)存在能力超強(qiáng)的電子加速器，提供了2.3拍電子伏電子加速器存在的直接觀測(cè)證據(jù)，直逼經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。
“就像給一個(gè)傾斜的杯子倒水，總是很難倒?jié)M，除非倒水的速度特別快?！备吆０斡钪婢€觀測(cè)站項(xiàng)目首席科學(xué)家曹臻介紹，越高能的電子越容易在磁場(chǎng)中損失能量，蟹狀星云內(nèi)的粒子加速機(jī)制必須具有驚人效率才能克服這些電子的能量損失。據(jù)“拉索”的測(cè)量結(jié)果推算，這一加速機(jī)制比超新星爆震波的加速效率高約一千倍，挑戰(zhàn)了高能天體物理中電子加速的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。
在“拉索”此前發(fā)現(xiàn)的12顆超高能伽馬光源中，蟹狀星云是兩個(gè)具有拍電子伏光子發(fā)射能力的光源之一，同時(shí)也是唯一明確了輻射源的天體。
“拉索”此次測(cè)量了蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋了從0.0005到1.1拍電子伏寬廣的范圍，不但確認(rèn)了此范圍內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)幾十年的觀測(cè)結(jié)果，還實(shí)現(xiàn)了前所未有的超高能區(qū)（0.3-1.1拍電子伏）的精確測(cè)量，這為該能區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)燭光設(shè)定了亮度標(biāo)準(zhǔn)。
【“拉索”將于2021年7月全部建成】
“拉索”是以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.3平方公里。它是由5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的一平方公里地面簇射粒子陣列、78000平方米水切倫科夫探測(cè)器陣列以及18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯(cuò)排布組成的復(fù)合陣列。
地面簇射粒子陣列
“拉索”采用上述四種探測(cè)技術(shù)，可以全方位、多變量、立體地測(cè)量宇宙線或伽馬射線在大氣層中的反應(yīng)，并重建它們的基本信息。這次報(bào)道的成果充分體現(xiàn)了“拉索”獨(dú)特的多種探測(cè)手段相互交叉檢驗(yàn)的能力，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
“拉索”將于2021年7月全部建成并投入科學(xué)運(yùn)行，預(yù)期每年可以記錄到1-2個(gè)來(lái)自蟹狀星云的拍電子伏光子。未來(lái)幾年，更多關(guān)于拍電子伏粒子加速的奧秘將被揭開(kāi)。
雪中的高海拔宇宙線觀測(cè)站
（源自上觀新聞 2021年7月9日版 原地址：https://web.shobserver.com/staticsg/res/html/web/newsDetail.html?id=384146）
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