公元1054年，天空上出現(xiàn)了一顆明亮的星，持續(xù)23天，這個(gè)現(xiàn)象被宋朝司天監(jiān)記錄為“客星”，是第一個(gè)被證認(rèn)的具有清晰歷史觀測(cè)記錄的超新星遺跡；公元2021年，稻城海子山上的中國(guó)科學(xué)家們對(duì)“這顆星”進(jìn)行重新測(cè)量。宋史記載的“天關(guān)客星”是一次怎樣的超新星爆發(fā)？千年之后對(duì)于“蟹狀星云”的觀測(cè)傳遞了哪些新訊息？新發(fā)現(xiàn)對(duì)人類(lèi)宇宙探索有何重大影響？

蟹狀星云 （圖片來(lái)自NASA）

高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO）

圖片來(lái)自《科學(xué)》（Science）

記者日前從中國(guó)科學(xué)院成都分院獲悉，國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站（LHAASO）”精確測(cè)量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光的亮度，覆蓋3.5個(gè)量級(jí)的能量范圍，為超高能伽馬光源測(cè)定了新標(biāo)準(zhǔn)。這個(gè)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。

這次觀測(cè)還記錄到能量達(dá)1.1拍電子伏（拍=千萬(wàn)億）的伽馬光子，由此確定在大約僅為太陽(yáng)系1/10大小的（約5000倍日地距離）蟹狀星云核心區(qū)內(nèi)存在能力超強(qiáng)的電子加速器，加速能量達(dá)到了人工加速器產(chǎn)生的電子束的能量（歐洲核子研究中心大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)LEP）兩萬(wàn)倍左右，直逼經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和理想磁流體力學(xué)理論所允許的加速極限。相關(guān)結(jié)果于美國(guó)東部時(shí)間7月8日在《科學(xué)》雜志（Science）上發(fā)表，由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國(guó)際合作組完成。

LHAASO測(cè)量了蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋了從0.0005到1.1拍電子伏寬廣的范圍，不但確認(rèn)了此范圍內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)幾十年的觀測(cè)結(jié)果，還實(shí)現(xiàn)了前所未有的超高能區(qū)（0.3～1.1拍電子伏）的精確測(cè)量，這為該能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)燭光設(shè)定了亮度標(biāo)準(zhǔn)。

在LHAASO此前發(fā)現(xiàn)的12顆超高能伽馬光源中，蟹狀星云是兩個(gè)具有拍電子伏光子發(fā)射能力的光源之一，同時(shí)也是唯一明確了輻射源的天體。而此次測(cè)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(cè)證據(jù)，這比人類(lèi)在地球上建造的最大的電子加速器LEP（歐洲核子研究中心的LHC前身）產(chǎn)生的電子束的能量高兩萬(wàn)倍左右。因?yàn)樵礁吣艿碾娮釉饺菀自诖艌?chǎng)中損失能量，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)LHAASO的測(cè)量結(jié)果推算，其加速效率竟達(dá)到理論極限的15%，比超新星爆發(fā)產(chǎn)生的爆震波的加速效率高約一千倍，挑戰(zhàn)了高能天體物理中電子加速的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。文章對(duì)此進(jìn)行了深入的理論分析和討論。

對(duì)話(huà)科學(xué)家

針對(duì)這一新發(fā)現(xiàn)的科學(xué)問(wèn)題，記者專(zhuān)訪了中國(guó)科學(xué)院LHAASO項(xiàng)目首席科學(xué)家曹臻。我們一起來(lái)聽(tīng)聽(tīng)吧！

LHAASO項(xiàng)目首席科學(xué)家曹臻

記者：什么叫標(biāo)準(zhǔn)燭光？為什么用“標(biāo)準(zhǔn)燭光”作為單位？

曹臻：我們都知道，作為計(jì)量單位，需要一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，比如長(zhǎng)度我們用米、質(zhì)量用公斤等。一直以來(lái)光的亮度計(jì)量也有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量單位，叫“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。在古代，人們觀測(cè)星星的亮度會(huì)用燭光作為參照，這種叫法一直延續(xù)到今天。

但是要作為計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行測(cè)量，比如我們的長(zhǎng)度單位以米為標(biāo)準(zhǔn)，也是經(jīng)過(guò)測(cè)量和計(jì)算的。它有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的原器，存放于巴黎國(guó)際計(jì)量局的地下室中。而標(biāo)準(zhǔn)燭光的標(biāo)準(zhǔn)是通過(guò)歷史觀測(cè)逐漸積累起來(lái)的。在過(guò)去30年里，科學(xué)家一直用一種大型的望遠(yuǎn)鏡來(lái)給蟹狀星云做測(cè)量，給大家建立起一個(gè)非常穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)的蟹狀星云的亮度，被作為標(biāo)準(zhǔn)燭光。這個(gè)亮度在我們的發(fā)現(xiàn)之前已經(jīng)達(dá)到了0.1拍電子伏，而LHAASO把觀測(cè)亮度提高到了0.1～1拍電子伏最高的這一段，因此，超出0.1拍電子伏這一段的亮度標(biāo)準(zhǔn)由LHAASO來(lái)制定。

記者：為什么會(huì)選蟹狀星云作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的標(biāo)準(zhǔn)呢？

曹臻：目前大家習(xí)慣用蟹狀星云來(lái)作為光、能量的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)照，原因是因?yàn)樗谡麄€(gè)電磁波段上面都有輻射，包括可見(jiàn)光以及我們測(cè)量到最高能量的伽馬光子。同時(shí)它又是個(gè)非常穩(wěn)定的光源，所以我們學(xué)術(shù)界普遍就用它來(lái)做一個(gè)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(jí)明亮的超新星爆發(fā)，這是現(xiàn)代天文學(xué)中第一個(gè)被證認(rèn)的具有清晰歷史觀測(cè)記錄的超新星遺跡。超新星爆發(fā)是恒星在演化接近末期時(shí)經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸都極其明亮，過(guò)程中所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個(gè)星系，并可持續(xù)幾周至幾個(gè)月才會(huì)逐漸衰減變?yōu)椴豢梢?jiàn)。恒星通過(guò)爆炸會(huì)將其大部分甚至幾乎所有物質(zhì)以可高至十分之一光速的速度向外拋散 ，并向周?chē)男请H物質(zhì)輻射激波。這種激波會(huì)導(dǎo)致形成一個(gè)膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成的殼狀結(jié)構(gòu)，這被稱(chēng)作超星星遺跡?？茖W(xué)家認(rèn)為初級(jí)宇宙射線(xiàn)有很大的比例來(lái)自超新星。

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(qiáng)磁場(chǎng)將脈沖星表面磁層中的大量正負(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(huì)被進(jìn)一步加速至更高能量并產(chǎn)生我們看到的星云。

蟹狀星云是為數(shù)極少的在射電、紅外、光學(xué)、紫外、X射線(xiàn)和伽馬射線(xiàn)波段都有輻射的天體，歷史上對(duì)其光譜已經(jīng)進(jìn)行了大量的觀測(cè)研究，是非常明亮且穩(wěn)定的高能輻射源，因此在多個(gè)波段它被作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，也即是測(cè)量其它天體輻射強(qiáng)度的標(biāo)尺。

記者：我們這次還記錄到了能量達(dá)1.1拍電子伏（拍=千萬(wàn)億）的伽馬光子，這是一個(gè)什么樣的突破呢？

曹臻：描述光子能量通常有幾種方法，其中一種就是我們通常用的波段。大家知道光是光波，光波最基本的特點(diǎn)就是，波長(zhǎng)越長(zhǎng)能量越低，波長(zhǎng)越短能量越高。在長(zhǎng)波的觀測(cè)領(lǐng)域的觀測(cè)手段是大家都知道的“中國(guó)天眼”（FAST）。這個(gè)500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡能夠測(cè)量到波長(zhǎng)非常長(zhǎng)的光輻射，大概是在分米到米的量級(jí)。而這次LHAASO觀測(cè)光波的波長(zhǎng)比它小了萬(wàn)億億倍，這是一個(gè)非常非常小的一個(gè)尺度。比過(guò)去人類(lèi)觀測(cè)到的光波長(zhǎng)度還小了10倍。這個(gè)尺度已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于我們現(xiàn)在能夠想象的原子、原子核甚至在原子核內(nèi)部的夸克的大小。相對(duì)的，它的能量也就高了萬(wàn)億億倍。

記者：這次發(fā)現(xiàn)有什么意義，可能會(huì)運(yùn)用在哪些方面？

曹臻：首先，LHAASO是高海拔宇宙線(xiàn)觀測(cè)站，顧名思義就是觀測(cè)宇宙線(xiàn)。宇宙線(xiàn)是來(lái)自宇宙空間的高能粒子，是連接宇觀與微觀的重要載體。對(duì)它們的研究貫穿粒子物理學(xué)、宇宙學(xué)、天體物理學(xué)三大學(xué)科領(lǐng)域，直接關(guān)系宇宙中高能粒子如何被加速以及怎么傳播，是人類(lèi)探索宇宙及其演化的重要途徑。

人類(lèi)對(duì)宇宙的探索，總是在不斷追求、探索未知的東西。在超高能伽馬射線(xiàn)探測(cè)中，過(guò)去已知的探測(cè)到0.1個(gè)拍電子伏這個(gè)水平。現(xiàn)在LHAASO把觀測(cè)的范圍又?jǐn)U展了10倍。這個(gè)發(fā)現(xiàn)的意義就是人類(lèi)在了解這種高加速粒子加速到非常高速的過(guò)程中，人類(lèi)的認(rèn)知又進(jìn)一步擴(kuò)展。

現(xiàn)在我們觀測(cè)到1.1個(gè)拍電子伏光子的出現(xiàn)，尤其是在蟹狀星云這樣一個(gè)特定的環(huán)境下出現(xiàn)了這樣高能量的光子，就意味著蟹狀星云是一個(gè)能力超強(qiáng)的加速器。

加速器把電場(chǎng)和磁場(chǎng)進(jìn)行組合，使粒子的能量提高到很高的量。其實(shí)，類(lèi)似這種原理的低量級(jí)加速器在我們生活中很多領(lǐng)域已經(jīng)有運(yùn)用。比如醫(yī)療領(lǐng)域，運(yùn)用伽馬射線(xiàn)對(duì)癌癥進(jìn)行治療等。

目前，生活中使用的加速器產(chǎn)生的能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于我們這次發(fā)現(xiàn)的能量高度。而人類(lèi)所能制作的加速器產(chǎn)生的能量（如北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)束流能量）也比我們觀測(cè)到的少100萬(wàn)倍。因此，當(dāng)我們對(duì)宇宙加速器有了更深入的了解，必將對(duì)人類(lèi)產(chǎn)生更加廣泛的影響。

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LHAASO是以宇宙線(xiàn)觀測(cè)研究為核心的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施，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(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)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(cè)器陣列以及18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯(cuò)排布組成的復(fù)合陣列。LHAASO采用四種探測(cè)技術(shù)，可以全方位、多變量、立體地測(cè)量宇宙線(xiàn)或伽馬射線(xiàn)在大氣層中的反應(yīng)，并重建它們的基本信息。這次報(bào)道的成果充分體現(xiàn)了LHAASO獨(dú)特的多種探測(cè)手段相互交叉檢驗(yàn)的能力，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。LHAASO將于本月全部投入運(yùn)行，預(yù)期每年可以記錄到1~2個(gè)來(lái)自蟹狀星云的拍電子伏光子。未來(lái)幾年內(nèi)，更多關(guān)于拍電子伏粒子加速的奧秘將被揭開(kāi)。