7月9日，《科學》發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大小的星云核心區內，存在能力超強的粒子加速器，直逼經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，天空突然出現了異象——在太陽和月亮之外，出現了第3個明亮天體，人們稱其為“客星”。客星亮了數年之后才慢慢消失。
這段奇異的天文現象，被一些古籍記載了下來：“至和元年五月己丑，客星出天關東南，可數寸，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。這次爆發后，產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圈快速旋轉的脈沖星。高速旋轉的超強磁場，將脈沖星表面磁層中的大量正負電子持續不斷地吹向四周，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碰撞后，又被進一步加速至更高能量，最終產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進行了大量觀測研究，是非常明亮且穩定的高能輻射源，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)、法國和德國聯合建造于納米比亞的高能立體望遠鏡系統(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出的伽馬射線情況。
這些觀測結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300萬億電子伏的區域間，形成了一條優美而清晰的曲線。
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其他實驗幾十年的觀測結果，還精確測量了前所未有的超高能區，即從300萬億至1100萬億電子伏的能區，這為該能區標準燭光設定了亮度標準。”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。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，發現了12個超高能伽馬光源，成果于今年5月17日發表在《自然》上。在這12個超高能伽馬光源中，有兩個光源能發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。在這次觀測的基礎上，科研人員又收集了幾個月的數據，發現了一個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，比超新星爆發產生的爆震波的加速效率，還要高出約1000倍。“這挑戰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，更多關于拍電子伏粒子加速的奧秘將被揭開。”曹臻說。
相關論文信息：
https://doi.org/10.1126/science.abg5137
https://doi.org/10.1038/s41586-021-03498-z
(原載于《中國科學報》 2021-07-09 第1版 要聞)
