2021-07-09 17:56:08 來源：中國新聞網(wǎng)
古籍《文獻(xiàn)通考》中關(guān)于1054年客星的記載?！≈锌圃焊吣芩?供圖
中新網(wǎng)北京7月9日電 (記者 孫自法)繼不久前在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)首批超高能宇宙加速器、開啟“超高能伽瑪天文學(xué)”時代之后，中國正在建設(shè)中的國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站”(LHAASO，中文音譯昵稱“拉索”)，最新又取得精確測定蟹狀星云亮度，并在蟹狀星云內(nèi)記錄到挑戰(zhàn)理論極限的、高達(dá)1100萬億電子伏的伽馬輻射。
高能物理領(lǐng)域這兩項重大科研成果，由中國科學(xué)院高能物理研究所(中科院高能所)領(lǐng)銜的“拉索”國際合作組完成，相關(guān)成果論文北京時間7月9日凌晨在國際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》(Science)上線發(fā)表。
蟹狀星云(圖片來源NASA)?！≈锌圃焊吣芩?供圖
測量蟹狀星云輻射最高能量端能譜
“拉索”國際合作組發(fā)言人、中科院高能所研究員曹臻介紹說，“拉索”此次精確測量了高能天文學(xué)“標(biāo)準(zhǔn)燭光”的亮度，覆蓋3.5個量級的能量范圍，為超高能伽馬光源測定了新標(biāo)準(zhǔn)。這個“標(biāo)準(zhǔn)燭光”就是由宋朝的司天監(jiān)發(fā)現(xiàn)并記錄的“客星”經(jīng)千年演化而形成的著名天體蟹狀星云。
“拉索”測量了蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋從0.0005到1.1拍(1拍=1000萬億)電子伏的寬廣范圍，不但確認(rèn)此范圍內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)幾十年的觀測結(jié)果，還實(shí)現(xiàn)前所未有的超高能區(qū)(0.3-1.1拍電子伏)的精確測量，從而為該能區(qū)“標(biāo)準(zhǔn)燭光”設(shè)定了亮度標(biāo)準(zhǔn)。
蟹狀星云距離地球約6500光年，誕生于公元1054年的一次超級明亮的超新星爆發(fā)，是現(xiàn)代天文學(xué)中首個被證認(rèn)的具有清晰歷史觀測記錄的超新星遺跡。其中心有一顆以每秒鐘30圈快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星，高速旋轉(zhuǎn)的超強(qiáng)磁場將脈沖星表面磁層中大量正負(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)碰撞后會被進(jìn)一步加速至更高能量并產(chǎn)生人們看到的星云。
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，歷史上對其光譜已進(jìn)行大量觀測研究，是非常明亮且穩(wěn)定的高能輻射源，因此在多個波段它被作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，也即是測量其他天體輻射強(qiáng)度的標(biāo)尺。
資料圖：從稻城飛往成都的航班上拍攝建設(shè)中的“拉索”全景?！≈行律缬浾?孫自法 攝
蟹狀星云加速能量達(dá)人工最高兩萬倍
與此同時，“拉索”本次觀測還記錄到能量達(dá)1.1拍即1100萬億電子伏的伽馬輻射光子，由此確定在大約僅為太陽系1/10大小(約5000倍日地距離)的蟹狀星云核心區(qū)內(nèi)存在能力超強(qiáng)的電子加速器，其加速能量達(dá)到當(dāng)今人工加速器產(chǎn)生電子束最高能量的兩萬倍左右，直逼經(jīng)典電動力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。
在“拉索”此前發(fā)現(xiàn)的12顆超高能伽馬光源中，蟹狀星云是兩個具有拍電子伏光子發(fā)射能力的光源之一，同時也是唯一明確輻射源的天體。而此次測到1.1拍電子伏光子，提供了2.3拍電子伏電子加速器存在的直接觀測證據(jù)，這比人類在地球上建造的最大的電子加速器——?dú)W洲核子研究中心大型強(qiáng)子對撞機(jī)(LHC)前身正負(fù)電子對撞機(jī)(LEP)產(chǎn)生電子束的能量高兩萬倍左右。
曹臻指出，因?yàn)樵礁吣艿碾娮釉饺菀自诖艌鲋袚p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”的測量結(jié)果推算，其加速效率竟達(dá)到理論極限的15%，這比超新星爆發(fā)產(chǎn)生的爆震波的加速效率高約1000倍，無疑對高能天體物理中電子加速的“標(biāo)準(zhǔn)模型”提出挑戰(zhàn)。
“拉索”本月全部建成將投入科學(xué)運(yùn)行
業(yè)內(nèi)專家稱，這次最新在《科學(xué)》發(fā)表論文的研究成果，充分體現(xiàn)出“拉索”獨(dú)特的多種探測手段相互交叉檢驗(yàn)的能力，確保測量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。
由中科院高能所承擔(dān)建設(shè)、負(fù)責(zé)運(yùn)行管理的大科學(xué)裝置“拉索”，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，是由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測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器陣列以及18臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯排布組成的復(fù)合陣列。
“拉索”采用這四種探測技術(shù)，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。
曹臻表示，“拉索”計劃于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個來自蟹狀星云的拍電子伏光子。因此，未來幾年內(nèi)，更多關(guān)于拍電子伏粒子加速的奧秘將有望被揭開。(完)
編輯：楊文博