公元1054年，北宋的天文學(xué)家觀(guān)測(cè)到了一枚前所未見(jiàn)的明亮天體。此后的天文觀(guān)測(cè)證實(shí)，這是一次超新星爆發(fā)事件，而這場(chǎng)璀璨煙火留下的遺跡——蟹狀星云——也成為人類(lèi)認(rèn)識(shí)最為全面的天體之一。
就在近1000年后的今天，來(lái)自中國(guó)的科學(xué)裝置再次讓我們以全新的視角認(rèn)識(shí)蟹狀星云。在今天凌晨發(fā)表于《科學(xué)》的一篇論文中，由中科院高能物理研究所牽頭的LHAASO國(guó)際合作組捕捉到來(lái)自蟹狀星云的超高能伽馬光子信號(hào)，并且向這一領(lǐng)域的“標(biāo)準(zhǔn)模型”發(fā)起挑戰(zhàn)。
撰文 | 吳非
公元1054年7月的一天，北宋的司天監(jiān)(掌管觀(guān)察天文的官員)楊惟德同往常一樣，正在觀(guān)察夜空中的天象。就在天亮之前，他突然注意到一個(gè)反常的現(xiàn)象：東方的天關(guān)星附近出現(xiàn)了極為明亮的光芒。待太陽(yáng)出現(xiàn)，這顆星依然肉眼可見(jiàn)。楊惟德立即記錄下這樣的天象。經(jīng)過(guò)數(shù)日的觀(guān)測(cè)，他判斷這顆星應(yīng)該是一顆“客星”，也就是之前從未出現(xiàn)過(guò)的天體。兩個(gè)月后，楊惟德寫(xiě)下了這樣的文字：“伏睹客星出現(xiàn)，其星上微有光彩，黃色。”
此后，這顆亮星受到了全世界天文學(xué)家的持續(xù)關(guān)注，而現(xiàn)代的天文學(xué)觀(guān)測(cè)終于確認(rèn)了它的身份：楊惟德記錄下的是一次6500光年外的超新星爆發(fā)，而這個(gè)恒星死亡過(guò)程的產(chǎn)物就是蟹狀星云(Crab Nebula)——首個(gè)具有清晰觀(guān)測(cè)記錄的超新星遺跡。從近千年前楊惟德發(fā)現(xiàn)這枚天體到現(xiàn)在，人類(lèi)已經(jīng)從多個(gè)不同的波段對(duì)蟹狀星云進(jìn)行了詳盡的觀(guān)測(cè)。蟹狀星云還被用作“標(biāo)準(zhǔn)燭光”，用于測(cè)定其他天體的輻射強(qiáng)度。而現(xiàn)在，中國(guó)的“高海拔宇宙線(xiàn)觀(guān)測(cè)站”(LHAASO)通過(guò)前所未有的能級(jí)讓我們重新認(rèn)識(shí)這枚著名的天體。
捕捉“次級(jí)粒子”
要理解LHAASO是如何工作的，就要從其觀(guān)測(cè)目標(biāo)宇宙線(xiàn)(cosmic ray)說(shuō)起。
宇宙線(xiàn)最初被發(fā)現(xiàn)，要追溯到一個(gè)世紀(jì)前的熱氣球飛行。當(dāng)時(shí)，為了檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)室中神秘的背景電離輻射是否來(lái)自巖石，奧地利物理學(xué)家維克托·赫斯(Victor Hess)在1911-1912年間進(jìn)行了10次熱氣球飛行。按照設(shè)想，如果信號(hào)的確來(lái)自巖石中的放射性元素，那么離地表越遠(yuǎn)，赫斯在儀器中讀出的大氣電導(dǎo)率應(yīng)該越低。但隨著熱氣球不斷升高，赫斯發(fā)現(xiàn)示數(shù)雖然先是下降了，但隨后卻隨著海拔上升而快速增加。這時(shí)他意識(shí)到，一定還有來(lái)自地球之外的輻射源。
首先受到懷疑的自然是太陽(yáng)，但到了次年4月7日，一場(chǎng)日食終結(jié)了這種可能性。如果這些輻射來(lái)自太陽(yáng)，那么在日食期間，受到月球的遮擋，抵達(dá)地球的輻射必然會(huì)減少。但赫斯看到的，卻是完全不同的情況——日食期間的示數(shù)沒(méi)有明顯變化。因此，電離輻射的真正來(lái)源是宇宙更深處。就這樣，赫斯在大氣層中找到了來(lái)自宇宙的高能粒子：宇宙線(xiàn)。
宇宙線(xiàn)的發(fā)現(xiàn)不僅為赫斯贏得了諾獎(jiǎng)，也為人類(lèi)理解宇宙開(kāi)啟了全新的窗口。這些帶電粒子(主要包括質(zhì)子和其他原子核)以接近光速在宇宙中穿行。其中，能量超過(guò)1015電子伏(即1拍電子伏，1 PeV)的超高能宇宙線(xiàn)格外受到關(guān)注。對(duì)于天文學(xué)家來(lái)說(shuō)，這些超高能宇宙線(xiàn)的來(lái)源可以說(shuō)是一個(gè)世紀(jì)之謎。要知道，在地球上，即使是最強(qiáng)的對(duì)撞機(jī)產(chǎn)生的能量，也不到這些粒子的百分之一。在宇宙中，是什么樣激烈的天體事件，讓那些帶電粒子加速至擁有PeV級(jí)的能量?
物理學(xué)家將能驅(qū)動(dòng)粒子獲得如此高能量的天體稱(chēng)作“拍電子伏宇宙線(xiàn)加速器”(PeVatron)。不過(guò)，要找到這些“加速器”卻絕非易事。在看似空蕩的星際空間里，磁場(chǎng)無(wú)處不在。當(dāng)帶電的宇宙線(xiàn)粒子從中穿過(guò)，磁場(chǎng)自然會(huì)偏轉(zhuǎn)宇宙線(xiàn)的飛行方向。因此，從觀(guān)測(cè)到的宇宙線(xiàn)來(lái)向中，我們根本無(wú)從得知它真正的起點(diǎn)。
好在，事情還有轉(zhuǎn)機(jī)。宇宙線(xiàn)在發(fā)源地附近一部分會(huì)與星際氣體作用產(chǎn)生伽馬光子。與宇宙線(xiàn)不同的是，伽馬射線(xiàn)的運(yùn)動(dòng)方向不受磁場(chǎng)影響——穿越磁場(chǎng)時(shí)依然呈直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)。因此，探測(cè)這些能量約為宇宙線(xiàn)1/10的“次級(jí)粒子”，就成為我們?cè)诘厍蛏献匪萦钪婢€(xiàn)來(lái)源的工具。接下來(lái)的挑戰(zhàn)，就是去尋找那些能量在0.1 PeV以上的“超高能”伽馬光子。
LHAASO登場(chǎng)
在四川省稻城縣海拔4410米的海子山上，一只通往宇宙高能區(qū)域的巨型“眼睛”，開(kāi)始為我們揭開(kāi)宇宙中那些超高能粒子的秘密。作為目前全世界最靈敏的超高能伽馬射線(xiàn)探測(cè)器，LHAASO可以精確測(cè)量伽馬射線(xiàn)從低于1 TeV(1012電子伏)到超過(guò)1 PeV的能譜。其中，對(duì)超高能伽馬光子的探測(cè)能力，是此前的主流探測(cè)裝置難以企及的。
LHAASO由3個(gè)探測(cè)系統(tǒng)組成，分別是包含5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器的一平方公里地面簇射粒子陣列(簡(jiǎn)稱(chēng)KM2A)、78000平方米水切倫科夫探測(cè)器，以及18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡。這些系統(tǒng)交錯(cuò)排布，組成的復(fù)合陣列使得LHAASO能夠全方位地觀(guān)測(cè)抵達(dá)地球的伽馬光子。
LHAASO于2019年開(kāi)始科學(xué)觀(guān)測(cè)。值得一提的是，LHAASO直到今年7月下旬才能完全建成。(例如，5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器組成的全陣列一周前才完全建成，此前投入觀(guān)測(cè)的探測(cè)器數(shù)量只有完全體的1/2~3/4。)但即便是未達(dá)完全體的LHAASO，也已經(jīng)為我們帶來(lái)了莫大的驚喜。
就在今年5月，《自然》雜志的一篇論文報(bào)道了通過(guò)LHAASO取得的重要發(fā)現(xiàn)。在2020年的觀(guān)測(cè)過(guò)程中，1/2規(guī)模的KM2A在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)了12個(gè)“超高能”伽馬射線(xiàn)源，其中最高能的伽馬光子達(dá)到創(chuàng)紀(jì)錄的1.4 PeV。這些信號(hào)源代表的天體，就是潛在的拍電子伏宇宙線(xiàn)加速器。這項(xiàng)發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著超高能伽馬天文學(xué)的開(kāi)啟。短短兩個(gè)月后，LHAASO的成果又登上了《科學(xué)》雜志。
挑戰(zhàn)“標(biāo)準(zhǔn)模型”
在兩個(gè)月前的論文中，LHAASO觀(guān)測(cè)到的12個(gè)超高能伽馬射線(xiàn)源中，就包含了一個(gè)來(lái)自蟹狀星云的信號(hào)。正如文章開(kāi)頭所言，蟹狀星云可以說(shuō)是人類(lèi)研究最為透徹的天體之一。在1054年觀(guān)測(cè)到那次超新星爆發(fā)之后，一顆新生的脈沖星在快速旋轉(zhuǎn)的過(guò)程中向外拋射正負(fù)電子風(fēng);這些電子風(fēng)和周?chē)男窃莆镔|(zhì)作用，讓粒子迅速擁有了極高的能量。
從射電、紅外、光學(xué)、紫外、X射線(xiàn)到伽馬射線(xiàn)，天文學(xué)家們已經(jīng)在各種不同波段上研究了其光譜。不過(guò)，在關(guān)于蟹狀星云的圖景中，仍然存在缺失的一環(huán)，那就是超高能的伽馬射線(xiàn)。在之前對(duì)蟹狀星云的觀(guān)測(cè)中，最高能光譜為0.3 PeV。而LHAASO的出現(xiàn)，讓我們得以通過(guò)全新的視角觀(guān)測(cè)蟹狀星云。
自2019年開(kāi)啟對(duì)蟹狀星云的觀(guān)測(cè)以來(lái)，LHAASO已經(jīng)捕捉到了近百次能級(jí)超過(guò)0.1 PeV的伽馬光子信號(hào)。其中，兩個(gè)PeV級(jí)的超高能信號(hào)尤其受到關(guān)注：去年1月，LHAASO就捕捉到了一個(gè)0.88 PeV的信號(hào)，這正是5月《自然》論文的12個(gè)超高能信號(hào)之一;此后LHAASO更進(jìn)一步，在今年1月探測(cè)到能量高達(dá)1.1 PeV的伽馬光子。這不僅是來(lái)自蟹狀星云的最高能光子、為證明蟹狀星云是潛在的拍電子伏宇宙線(xiàn)加速器提供了更堅(jiān)實(shí)的證據(jù)，同時(shí)還向這一領(lǐng)域的“標(biāo)準(zhǔn)模型”發(fā)起了挑戰(zhàn)。
在此之前，天文學(xué)家已經(jīng)在22個(gè)量級(jí)上精確測(cè)定了蟹狀星云的光譜，得到了一個(gè)比較簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)。對(duì)于這個(gè)結(jié)構(gòu)，物理學(xué)家可以用簡(jiǎn)單的電子加速模型，也就是高能天體領(lǐng)域的“標(biāo)準(zhǔn)模型”加以解釋。但是，1.1 PeV光子的出現(xiàn)向這個(gè)理論的極限發(fā)起了挑戰(zhàn)。
最新這篇《科學(xué)》論文的第一作者、中科院高能物理研究所的研究員曹臻介紹道：“如果這個(gè)光子的確源自超高能電子的撞擊，那么這個(gè)電子的能量會(huì)高達(dá)2.3 PeV。在蟹狀星云的環(huán)境中，這就要求加速過(guò)程具有超乎想象的高效率——甚至逼近經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和磁流體力學(xué)的理論極限。”如果今后的觀(guān)測(cè)找到能量更高的伽馬光子，那么“標(biāo)準(zhǔn)模型”就可能面臨嚴(yán)重的危機(jī)。
“此外，LHAASO觀(guān)測(cè)到的超高能波段的光譜，已經(jīng)比較明顯地表現(xiàn)出了偏離‘標(biāo)準(zhǔn)模型’的特征。”曹臻說(shuō)。在較低的能級(jí)上，對(duì)蟹狀星云的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)都精確符合理論模型。但是，超高能的觀(guān)測(cè)結(jié)果似乎與模型存在分歧。當(dāng)然曹臻也表示，目前LHAASO獲取的超高能信號(hào)數(shù)量還太少，“如果將來(lái)大量的觀(guān)測(cè)結(jié)果證實(shí)了這個(gè)偏離情況，那么‘標(biāo)準(zhǔn)模型’就需要修正了。這或許可以解決前面的第一個(gè)挑戰(zhàn)，但也可能就此為宇宙線(xiàn)的起源提供證據(jù)，帶來(lái)更大的突破。”
接下來(lái)，即將進(jìn)入完全體的LHAASO將繼續(xù)對(duì)來(lái)自蟹狀星云等天體的超高能伽馬光子進(jìn)行多年觀(guān)測(cè)。按照設(shè)計(jì)目標(biāo)，LHAASO每年應(yīng)該能至少探測(cè)到1~2個(gè)來(lái)自蟹狀星云的超高能伽馬光子，因此，研究團(tuán)隊(duì)希望通過(guò)未來(lái)數(shù)年的觀(guān)測(cè)，證實(shí)現(xiàn)有的發(fā)現(xiàn)，并且揭開(kāi)更多關(guān)于超高能粒子和奧秘。
原始論文：
PeV gamma-ray emission from the Crab Nebula
https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abg5137
參考材料：
https://www.nature.com/articles/s41586-021-03498-z
https://www.scientificamerican.com/article/highest-energy-particles-yet-arrive-from-ancient-crab-nebula/
http://www.ihep.cas.cn/lhaaso/zyxw/202107/t20210709_6129533.html
https://timeline.web.cern.ch/victor-hess-discovers-cosmic-rays-0
《中國(guó)天文史4000年》
