7月9日凌晨，《科學(xué)》雜志發(fā)表了一篇來自高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）的研究成果。
LHAASO的科研人員精確測量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光——蟹狀星云的亮度，在更廣的能量范圍內(nèi)為超高能伽馬光源測定了新標(biāo)準(zhǔn)。此次觀測還記錄到能量達(dá)1.1拍電子伏（拍=千萬億）的伽馬光子，由此確定在大約僅為太陽系1/10大小的星云核心區(qū)內(nèi)，存在能力超強(qiáng)的粒子加速器，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。
這一成果意味著什么？《中國科學(xué)報(bào)》專訪了LHAASO首席科學(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻。
千年前，宇宙拋出一把“尺子”
公元1054年，北宋，仁宗主政。7月4日這天，天空突然出現(xiàn)了異象——在太陽和月亮之外，出現(xiàn)了第三個(gè)明亮的天體，人們稱其為“客星”。
客星亮了數(shù)年之后才慢慢消失。這段奇異的天文現(xiàn)象，被一些古籍記載了下來：“至和元年五月己丑，客星出天關(guān)東南，可數(shù)寸，歲余消沒?！?/p>
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古籍《文獻(xiàn)通考》中關(guān)于1054年客星的記載（中科院高能物理所供圖）
近千年前的古人沒有想到，這次異象對(duì)人類天文史有著極其重要的意義。
他們看到的客星，實(shí)際上是一次超新星爆發(fā)。這次爆發(fā)后，產(chǎn)生了一片螃蟹形狀的星云，距離地球約6500光年。蟹狀星云成為現(xiàn)代天文學(xué)中第一個(gè)被證認(rèn)的具有清晰歷史觀測記錄的超新星遺跡。
蟹狀星云的中心有一顆以每秒鐘30圈快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星。高速旋轉(zhuǎn)的超強(qiáng)磁場，將脈沖星表面磁層中的大量正負(fù)電子持續(xù)不斷地吹向四周，形成一股速度近乎光速的強(qiáng)勁星風(fēng)，星風(fēng)中的電子與外部介質(zhì)碰撞后，又被進(jìn)一步加速至更高能量，最終產(chǎn)生了我們看到的星云。
更重要的是，蟹狀星云成為人類探測天體輻射強(qiáng)度的尺子。這把尺子被科學(xué)家們稱作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。
標(biāo)準(zhǔn)燭光一般是已經(jīng)知道光度的天體。在宇宙學(xué)和星系天文學(xué)中，標(biāo)準(zhǔn)燭光可以幫助天文學(xué)家了解天體距離地球的距離。
“蟹狀星云是為數(shù)極少的在射電、紅外、光學(xué)、紫外、X射線和伽馬射線波段都有輻射的天體，歷史上對(duì)其光譜已經(jīng)進(jìn)行了大量的觀測研究，是非常明亮且穩(wěn)定的高能輻射源，因此它在伽馬射線等多個(gè)波段被作為衡量其他天體亮度的參照標(biāo)尺?！辈苷檎f。
蟹狀星云（圖片來源：NASA）
讓尺子的刻度再長一點(diǎn)
既然是標(biāo)尺，就需要知道它的刻度。在伽馬射線波段，蟹狀星云這把尺子的刻度，已經(jīng)被不少平臺(tái)標(biāo)記過。
伽馬射線是一種波長極短、能量很高的電磁波。德國的高能伽馬射線天文學(xué)實(shí)驗(yàn)（HEGRA），法國和德國聯(lián)合建造于納米比亞的高能立體望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)（H.E.S.S.），坐落于西班牙加那利（Canary）島的大氣伽馬射線成像切倫科夫望遠(yuǎn)鏡（MAGIC），美國的水切倫科夫伽馬射線天文臺(tái)（HAWC），我國西藏羊八井ASγ實(shí)驗(yàn)陣列及在羊八井實(shí)驗(yàn)站開展的中意合作ARGO-YBJ實(shí)驗(yàn)，都曾測量過蟹狀星云發(fā)出的伽馬射線情況。
這些觀測結(jié)果，使人們對(duì)蟹狀星云在伽馬射線波段的輻射有了認(rèn)知。蟹狀星云的伽馬射線能量圖譜上，從0.1萬億電子伏到300萬億電子伏的區(qū)域間，形成了一條優(yōu)美而清晰的曲線。
然而，這把尺子在300萬億電子伏之后便沒了刻度，原因是人類的探測能力有限，無法探測到蟹狀星云在更高能量段的能譜。
這次，LHAASO的科學(xué)家們做了兩件事——一是校驗(yàn)尺子的已知刻度，二是讓尺子的刻度再長一點(diǎn)。
“LHAASO測量了蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋了從0.5到1100萬億電子伏寬廣的范圍，不但確認(rèn)了此范圍內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)幾十年的觀測結(jié)果，還精確測量了前所未有的超高能區(qū)，即從300至1100萬億電子伏的能區(qū)，這為該能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)燭光設(shè)定了亮度標(biāo)準(zhǔn)?！辈苷檎f。
蟹狀星云伽馬射線能譜圖（中科院高能物理所供圖）
LHAASO是怎么做到的？
LHAASO之所以能取得這一成果，得益于它的探測技術(shù)。它位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，由1平方公里地面簇射粒子陣列、78000平方米水切倫科夫探測器陣列，以及18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯(cuò)排布組成，其中，地面簇射粒子陣列包括了5195個(gè)電磁粒子探測器和1188個(gè)繆子探測器。
曹臻表示，這樣的復(fù)合陣列，讓LHAASO可以全方位、多變量、立體地測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。而它獨(dú)特的多種探測手段相互交叉檢驗(yàn)的能力，也確保了測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
2020年12月28日，LHAASO四分之三陣列（中科院高能物理所供圖）
這次，LHAASO不僅測出了蟹狀星云在更高能量波段的情況，還從理論上探討了這種超高能伽馬射線是怎么形成的。
此前，LHAASO的科學(xué)家通過探測落在地球上的伽馬光子，發(fā)現(xiàn)了12個(gè)超高能伽馬光源，成果于今年5月17日發(fā)表在《自然》雜志上。在這12個(gè)超高能伽馬光源中，有兩個(gè)光源能發(fā)射出拍電子伏的光子，其中一個(gè)來自蟹狀星云，光子能量達(dá)到0.9拍電子伏。在這次觀測的基礎(chǔ)上，科研人員又收集了幾個(gè)月的數(shù)據(jù)，又發(fā)現(xiàn)了一個(gè)1.1拍電子伏的伽馬光子，它對(duì)應(yīng)著一個(gè)提供了2.3拍電子伏的電子加速器，而這個(gè)加速器便位于蟹狀星云。
“2.3拍電子伏，比人類在地球上建造的最大的電子加速器能產(chǎn)生的電子束能量要高出兩萬倍左右?！辈苷檎f。
他們推測，蟹狀星云里的超高能粒子加速器的加速效率，比超新星爆發(fā)產(chǎn)生的爆震波的加速效率，還要高出約一千倍?！斑@挑戰(zhàn)了高能天體物理中電子加速的理論?！辈苷檎f。
不過，對(duì)于超高能伽馬射線實(shí)際是怎么產(chǎn)生的，曹臻表示，目前尚無定論。
對(duì)于未來的研究，曹臻充滿信心?！癓HAASO處在邊建設(shè)邊運(yùn)行的階段，將于2021年7月全部建成。我們預(yù)計(jì)，全部建成后，LHAASO每年可以記錄到1到2個(gè)來自蟹狀星云的拍電子伏光子。未來幾年內(nèi)，更多關(guān)于拍電子伏粒子加速的奧秘將被揭開?！辈苷檎f。
相關(guān)論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.abg5137
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03498-z
（源自科學(xué)網(wǎng) 2021年7月9日版 原地址：http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/7/460944.shtm）
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