7月9日，《科學》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標準燭光——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準。此次觀測還記錄了能量達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)，存在能力超強的粒子加速器，直逼經(jīng)典電動力學和理想磁流體力學理論所允許的加速極限。
這一成果意味著什么?《中國科學報》專訪了LHAASO首席科學家、中國科學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，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3個明亮天體，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。”
近千年前的古人沒有想到，這次異象對人類天文史有著極其重要的意義。他們看到的客星，實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)代天文學中第一個被證認的具有清晰歷史觀測記錄的超新星遺跡。
蟹狀星云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)的超強磁場，將脈沖星表面磁層中的大量正負電子持續(xù)不斷地吹向四周，形成一股速度近乎光速的強勁星風。星風中的電子與外部介質(zhì)碰撞后，又被進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度的尺子。這把尺子被科學家稱作“標準燭光”。標準燭光一般是已經(jīng)知道光度的天體。在宇宙學和星系天文學中，標準燭光可以幫助天文學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、紫外、X射線和伽馬射線波段都有輻射的天體，歷史上對其光譜已經(jīng)進行了大量觀測研究，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波段被作為衡量其他天體亮度的參照標尺。”曹臻說。
讓尺子的刻度再長一點
既然是標尺，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)被不少平臺標記過。
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實驗(HEGRA)、法國和德國聯(lián)合建造于納米比亞的高能立體望遠鏡系統(tǒng)(H.E.S.S.)、坐落于西班牙加那利島的大氣伽馬射線成像切倫科夫望遠鏡(MAGIC)、美國的水切倫科夫伽馬射線天文臺(HAWC)、我國西藏羊八井ASγ實驗陣列及在羊八井實驗站開展的中意合作ARGO-YBJ實驗，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)果使人們對蟹狀星云在伽馬射線波段的輻射有了認知。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的科學家做了兩件事：一是校驗尺子的已知刻度，二是讓尺子的刻度再長一點。
“LHAASO測量了蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋了從0.5萬億到1100萬億電子伏寬廣的范圍，不但確認了此范圍內(nèi)其他實驗幾十年的觀測結(jié)果，還精確測量了前所未有的超高能區(qū)，即從300萬億至1100萬億電子伏的能區(qū)，這為該能區(qū)標準燭光設(shè)定了亮度標準。”曹臻說。
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、7.8萬平方米水切倫科夫探測器陣列，以及18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成。其中，地面簇射粒子陣列包括了5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器。
曹臻表示，這樣的復合陣列，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，并重建它們的基本信息。而它獨特的多種探測手段相互交叉檢驗的能力，也確保了測量結(jié)果的準確性和可靠性。
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的科學家通過探測落在地球上的伽馬光子，發(fā)現(xiàn)了12個超高能伽馬光源，成果于今年5月17日發(fā)表在《自然》上。在這12個超高能伽馬光源中，有兩個光源能發(fā)射出拍電子伏的光子，其中一個來自蟹狀星云，光子能量達到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月的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)了一個1.1拍電子伏的伽馬光子，它對應著一個提供了2.3拍電子伏的電子加速器，而這個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電子加速器能產(chǎn)生的電子束能量高出兩萬倍左右。”曹臻說。
他們推測，蟹狀星云里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1000倍。“這挑戰(zhàn)了高能天體物理中電子加速的理論。”曹臻說。
不過，對于超高能伽馬射線實際是怎么產(chǎn)生的，曹臻表示，目前尚無定論。
對于未來的研究，曹臻充滿信心。“LHAASO處在邊建設(shè)邊運行的階段，將于2021年7月全部建成。我們預計，全部建成后，LHAASO每年可以記錄到1~2個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。”曹臻說。
