1054年，宋朝的天空上出現(xiàn)了一顆不一樣的星。這顆星在夜空閃耀23天，被當(dāng)時(shí)的司天監(jiān)以“天關(guān)客星”的名字記錄在案。
967年后，位于四川稻城的大科學(xué)工程高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”(LHAASO)精確測(cè)量了一個(gè)高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光的亮度?？茖W(xué)家們確認(rèn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)燭光就是由“天關(guān)客星”經(jīng)演化形成的著名天體——蟹狀星云。新測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)燭光的亮度覆蓋3.5個(gè)量級(jí)的能量范圍，為超高能伽馬光源測(cè)定了新標(biāo)準(zhǔn)。
高海拔宇宙線觀測(cè)站“拉索”。中科院高能所供圖
同時(shí)，“拉索”還記錄到能量達(dá)1.1拍電子伏（千萬億電子伏特）的伽馬光子，由此確定在大約僅為太陽系1/10大小的（約5000倍日地距離）星云核心區(qū)內(nèi)存在能力超強(qiáng)的電子加速器，加速能量達(dá)到了人工加速器產(chǎn)生的電子束的能量兩萬倍左右，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。相關(guān)研究成果7月9日在線發(fā)表于《科學(xué)》雜志。
蟹狀星云距離地球約6500光年，誕生于一次超新星爆發(fā)，我國宋朝時(shí)期（1054年）觀測(cè)到了這次事件，這是現(xiàn)代天文學(xué)中第一個(gè)被證認(rèn)的具有清晰歷史觀測(cè)記錄的超新星遺跡。
該遺跡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(chǎng)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)?！薄袄鳌笔紫茖W(xué)家、中國科學(xué)院高能物理研究所研究員曹臻介紹，星風(fēng)中的電子與外部介質(zhì)碰撞后會(huì)被進(jìn)一步加速至更高能量并產(chǎn)生我們看到的星云。
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，是非常明亮且穩(wěn)定的高能輻射源，歷史上天文學(xué)家對(duì)其光譜已經(jīng)進(jìn)行了大量的觀測(cè)研究，因此在多個(gè)波段它被作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，也就是測(cè)量其它天體輻射強(qiáng)度的標(biāo)尺。
“‘拉索’測(cè)量了蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋范圍從0.0005拍電子伏到1.1拍電子伏，不僅確認(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0.3-1.1拍電子伏超高能區(qū)的精確測(cè)量，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（資料圖）。圖片來源：NASA
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。
而此次測(cè)到1.1拍電子伏光子，通過反推，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)其電子加速器的原初電子能量可達(dá)2.3拍電子伏，比人類在地球上建造的最大的電子加速器LEP產(chǎn)生的電子束的能量高兩萬倍左右，為存在2.3拍電子伏電子加速器提供了直接觀測(cè)證據(jù)。
“由于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?！辈苷檎f，據(jù)“拉索”的測(cè)量結(jié)果推算，其加速效率可以達(dá)到理論極限的15%，比超新星爆發(fā)產(chǎn)生的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”。
曹臻表示，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。
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中國科大助力拉索精確測(cè)量高能“標(biāo)準(zhǔn)燭光”亮度科技日?qǐng)?bào)記者 吳長鋒
由中國等7個(gè)國家、32個(gè)單位共同合作參與的拉索，位于四川省稻城縣海子山，是以宇宙線觀測(cè)研究為核心的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，由地面簇射粒子陣列（KM2A）、水切倫科夫探測(cè)器陣列（WCDA）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。
作為拉索核心探測(cè)器，WCDA和KM2A在蟹狀星云輻射的伽馬射線能譜測(cè)量中發(fā)揮了關(guān)鍵作用。其中，WCDA和KM2A大尺寸光敏探頭研制及WCDA大尺寸光敏探頭電子學(xué)研制工作，由中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)核探測(cè)與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室相關(guān)研究團(tuán)隊(duì)承擔(dān)。
大尺寸光敏探頭是WCDA和KM2A繆子探測(cè)器的“視網(wǎng)膜”。核探測(cè)與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室閃爍探測(cè)器團(tuán)隊(duì)分別針對(duì)WCDA和KM2A繆子探測(cè)器的實(shí)驗(yàn)要求，完成大尺寸光敏探頭中光電倍增管的選型和大動(dòng)態(tài)范圍基座電路設(shè)計(jì)，取得了核心技術(shù)突破，研制出滿足實(shí)驗(yàn)要求的大尺寸光敏探頭。WCDA的動(dòng)態(tài)范圍達(dá)到3個(gè)數(shù)量級(jí)，而KM2A繆子探測(cè)器的動(dòng)態(tài)范圍更是達(dá)到5.5個(gè)數(shù)量級(jí)。
繆子探測(cè)器大尺寸光敏探頭。中國科大供圖
在WCDA大尺寸光敏探頭讀出電子學(xué)方面，該實(shí)驗(yàn)室安琪、趙雷、曹喆團(tuán)隊(duì)成功完成全部讀出電子學(xué)系統(tǒng)的研制和工程實(shí)施，實(shí)現(xiàn)多項(xiàng)重大技術(shù)突破。在工程實(shí)施的同時(shí)，團(tuán)隊(duì)針對(duì)WCDA采用國產(chǎn)新型20英寸微通道板型光電倍增管新方案，成功實(shí)現(xiàn)千倍量級(jí)大動(dòng)態(tài)范圍前端讀出專用集成電路芯片的研制和優(yōu)化設(shè)計(jì)，并正式用于拉索工程中，這也是我國在大型宇宙線物理實(shí)驗(yàn)中首批使用的自主研制專用集成電路芯片。
WCDA大尺寸光敏探頭讀出電子學(xué)。中國科大供圖
此外，該校天文學(xué)系楊睿智團(tuán)隊(duì)還參與了KM2A數(shù)據(jù)分析和唯象解釋工作。
（源自科技日?qǐng)?bào)2021年7月9日版 原地址：https://mp.weixin.qq.com/s/Xn2Ir9SPtnMJNJ1N8XAnSw）
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