千年后仰望同一片星空！

川观新闻 2021-07-09 08:51

千年后仰望同一片星空！中国人在蟹状星云研究上再创“第一”

位于甘孜稻城海子山的高海拔宇宙线观测站（简称LHAASO）电磁粒子探测器（ED）阵列安装工程全部完成。 中科院高能所供图

川观新闻记者 徐莉莎

公元1054年7月4日，北宋的天文观测部门——司天监发现开封府东南方向的天空中，出现了一颗极亮的大星，持续23天，即使在白天也能看见。

古人记录的，正是金牛座方向距离地球6500光年的蟹状星云前身恒星初始爆炸时候的情景。这是现代天文学中第一个被证认的具有清晰历史观测记录的超新星遗迹。

仿佛是一场跨越千年的呼应。967年后的2021年，也是在7月，聚焦同一个星体。

蟹状星云 来源：NASA

全球顶尖科学期刊《科学》（Science）于美国东部时间7月8日，发表了我国重大科技基础设施——高海拔宇宙线观测站（LHAASO）关于蟹状星云的最新研究成果。

美国东部时间7月8日在《科学》上发表了LHAASO的最新成果。

据报道，LHAASO精确测量了高能天文学标准烛光的亮度，覆盖3.5个量级的能量范围，为超高能伽马光源测定了新标准。

这次观测还记录到能量达1.1拍电子伏的光子，由此确定在蟹状星云核心区内，存在能力超强的电子加速器，直逼经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限。

有人说这是“中国人跨越千年的新发现”，还有人说海子山上的发现，“挑战了高能天体物理中电子加速的'标准模型’”。

如何理解这些成果及其意义？LHAASO项目首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻在成都接受了记者采访。

高海拔宇宙线观测站-暴雪后的缪子探测器阵列 来源：中科院高能所

宋朝人记录的超新星爆发遗迹

成为天文学家的“福星”

科学家们证实，1054 年古人仰望星空观测到的超新星爆发，其遗迹正是今天著名的蟹状星云。

众多史料记载了这个金牛座方向上的超新星爆发事件。《宋史·天文志》 中说，这一天“客星出天关东南可数寸，岁余稍没”。

它以大约1500公里/秒的速度扩展。“几乎每秒钟拓展出北京到上海的距离”，曹臻说，但是在动辄以“光年”计量的天文学尺度上，近1000年后，这个星云在探测器中仍是一个点。

当然，天文望远镜除外。

美国NASA利用哈勃望远镜拍摄的图片显示，蟹状星云的中心有一颗以每秒钟30圈快速旋转的脉冲星。

高速旋转形成的超强磁场，将脉冲星表面磁层中的大量正负电子持续不断地吹向四周，形成一股速度近乎光速的强劲星风。

星风中的电子与外部介质碰撞后，会被进一步加速至更高能量，并产生我们看到的星云。这些星云，产生大量高能光子“光顾”地球。

据曹臻介绍，蟹状星云是为数极少的在射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段都有辐射的天体。历史上对其光谱已经进行了大量的观测研究，是非常明亮且稳定的高能辐射源。

明亮、稳定，因为这些特制，蟹状星云在多个波段被作为标准烛光。好比一把测量其它天体辐射强度的“标尺”，而且是北半球唯一的一把。

因此，蟹状星云被天文学家们视为“福星”。

当我们利用天文望远镜观测其他星体时，总要先对准蟹状星云，看看望远镜标定的位置是否准确，是否探测到标准数量的光子，以排除望远镜性能或气象的影响。

位于甘孜稻城海子山的高海拔宇宙线观测站（简称LHAASO）电磁粒子探测器（ED）阵列安装工程全部完成。 中科院高能所供图

LHAASO为天体辐射强度“标尺”增加了新刻度

宇宙线是来自宇宙空间的高能粒子。它们携带着宇宙起源、天体演化、太阳活动、宇宙空间环境等重要科学信息。

为探索宇宙线起源和加速原理，国家和四川斥资12亿元，支持中科院高能所在海拔4410米的海子山上，建设高海拔宇宙线观测站，力图通过“捕捉”这些“天外来客”，反推其来源和加速机制。

位于甘孜稻城海子山的高海拔宇宙线观测站（简称LHAASO）电磁粒子探测器（ED）阵列安装工程全部完成。 中科院高能所供图

2020年，才建成一半的LHAASO，刷新了人类观测到的最高能量光子记录，并发现12个稳定伽马射线源。这些射线源就是一些年轻的大质量星团、超新星遗迹、脉冲星风云，被科学家们称为“超高能宇宙加速器”。

这其中有两个具有拍电子伏光子发射能力的光源，蟹状星云就是其中之一，也是唯一明确了辐射源的天体。科学家们将目光锁定蟹状星云，开展了深入研究。

高海拔宇宙线观测站效果图  来源：中科院高能所

当LHAASO对准“福星”，我们看到了什么？

据曹臻介绍，这次观测记录到能量高达1.1拍电子伏的伽马光子。

这个能量有多高？骇人听闻的核爆，其产生的带电粒子能量范围约在0.3至3 兆电子伏。而拍电子伏则比兆电子伏还要高出9个量级。

过去三十年，世界范围内的科学家们用各种探测器，测定了蟹状星云在0.3拍电子伏以下的能量分布信息，即所谓的能谱。但在0.3拍电子伏以上的超高能区仍是空白。

“就像一些肉眼不可见光，你看不到，并不表示它不存在。要看到这些光，只能借助更敏锐的工具。”曹臻说，具有高灵敏度的LHAASO，有效补充了超高能区的检测手段。

利用LHAASO，高能所团队测量了蟹状星云辐射的最高能量端能谱，覆盖了从0.0005-1.1拍电子伏宽广的范围。

如何理解其意义？曹臻说，这些数据不仅确认了此范围内其他实验几十年的观测结果，还实现了前所未有的超高能区（0.3-1.1拍电子伏）的精确测量，这为该能区标准烛光设定了亮度标准。

也就是说，LHAASO为测量天体辐射强度的“标尺”，增加了高能段刻度。

蟹状星云内粒子加速机制的惊人效率

是误差还是挑战理论极限？

既然建设LHAASO的目的是为了探索宇宙线起源和加速机制，那1.1拍电子伏伽马光子的发现，对此有何意义？

根据康普顿效应，当蟹状星云中的电子被加速成高能粒子后，碰撞到光子，其自身能量会有一半转移给光子。

蟹状星云 来源：NASA

由此反推，当LHAASO探测到1.1拍电子伏的光子，也就提供了2.3拍电子伏电子加速器存在的直接观测证据。由此确定在大约仅为太阳系1/10大小的（约5000倍日地距离）星云核心区内存在能力超强的电子加速器。

2.3拍电子伏——这比目前人类在地球上建造的最大的电子加速器——欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机LEP产生的电子束的能量高两万倍左右。

曹臻说，越高能的电子越容易在磁场中损失能量。也就是说，蟹状星云内的粒子加速机制必须具有惊人效率，才能克服这些电子的能量损失。

据LHAASO的测量结果推算，其加速效率竟超出理论极限的15%，比超新星爆发产生的爆震波的加速效率高约一千倍。

曹臻分析，这一结果，直逼经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限，挑战了高能天体物理中电子加速的“标准模型”。

究竟是测量误差，还是真的挑战了“标准模型”？曹臻认为，随着LHAASO年内全阵列投入运行，观测样本数增加，这些问题将被解答。

据介绍，LHAASO将于2021年7月建成并投入科学运行，预期每年可以记录到1~2个来自蟹状星云的拍电子伏光子。未来几年内，更多关于拍电子伏粒子加速的奥秘将被揭开。

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位于甘孜稻城海子山的高海拔宇宙线观测站（简称LHAASO）电磁粒子探测器（ED）阵列安装工程全部完成。 中科院高能所供图

LHAASO是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施，位于四川省稻城县海拔4410米的海子山，占地面积约1.3平方公里，是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列、78000平方米水切伦科夫探测器阵列以及18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。

LHAASO采用这四种探测技术，可以全方位、多变量、立体地测量宇宙线或伽马射线在大气层中的反应，并重建它们的基本信息。