四川日報 2021年07月12日
有人說這是“中國人跨越千年的新發(fā)現(xiàn)”
有人說海子山上的發(fā)現(xiàn)“挑戰(zhàn)了高能天體物理中電子加速的‘標(biāo)準(zhǔn)模型’”
□四川日報全媒體記者 徐莉莎
公元1054年7月4日，北宋的天文觀測部門——司天監(jiān)發(fā)現(xiàn)，開封府東南方向的天空中出現(xiàn)了一顆極亮的大星，持續(xù)23天，即使在白天也能看見。
古人記錄的，正是距離地球6500光年的蟹狀星云前身恒星初始爆炸時的情景。這是現(xiàn)代天文學(xué)中第一個被認(rèn)證具有清晰歷史觀測記錄的超新星遺跡。
967年后的2021年，也是在7月，聚焦同一個星體。國際知名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》于北京時間9日發(fā)表國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施——高海拔宇宙線觀測站（LHAASO，中文簡稱“拉索”）關(guān)于蟹狀星云的最新研究成果。
有人說這是“中國人跨越千年的新發(fā)現(xiàn)”，還有人說海子山上的發(fā)現(xiàn)“挑戰(zhàn)了高能天體物理中電子加速的‘標(biāo)準(zhǔn)模型’”。
千年前，宋朝人見證“標(biāo)尺”的誕生
哈勃望遠(yuǎn)鏡拍攝的照片顯示，蟹狀星云的中心有一顆以每秒鐘30圈快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星。類似太陽風(fēng)的存在，脈沖星也有星風(fēng)，星風(fēng)中的電子與外部介質(zhì)碰撞后，會被進一步加速至更高能量，并產(chǎn)生我們看到的星云。這些電子撞擊光子，并為其加速，產(chǎn)生大量高能光子“光顧”地球。這些光子就能被我們的探測器“捕捉”到。
據(jù)中科院高能物理研究所研究員曹臻介紹，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。歷史上對其光譜已經(jīng)進行了大量的觀測研究，是非常明亮且穩(wěn)定的高能輻射源。因此，蟹狀星云在多個波段被作為“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。好比一把測量其它天體輻射強度的“標(biāo)尺”，而且是北半球唯一的一把。
當(dāng)我們利用天文望遠(yuǎn)鏡觀測其他星體時，總要先對準(zhǔn)蟹狀星云，看看望遠(yuǎn)鏡標(biāo)定的位置是否準(zhǔn)確，是否探測到標(biāo)準(zhǔn)數(shù)量的光子，以排除望遠(yuǎn)鏡性能或氣象的影響。
千年后，拉索的發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)理論極限
如今，稻城海子山上的拉索，開啟了人類對這個星云的新認(rèn)知。
當(dāng)拉索對準(zhǔn)蟹狀星云，我們看到了什么？據(jù)曹臻介紹，具有高靈敏度的拉索探測到更多伽馬光子，最高能量達到1.1拍電子伏（拍=千萬億）。這些數(shù)據(jù)不僅確認(rèn)了其他實驗幾十年對蟹狀星云的觀測結(jié)果，還對其超高能區(qū)（0.3-1.1拍電子伏）進行了精確測量，為該能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)燭光設(shè)定了亮度標(biāo)準(zhǔn)。
此外，1.1拍電子伏伽馬光子的發(fā)現(xiàn)，對宇宙線加速機制的探索有何意義？
曹臻說，根據(jù)康普頓效應(yīng)，當(dāng)蟹狀星云中的電子被加速成高能粒子后，碰撞到光子，其自身能量會有一半轉(zhuǎn)移給光子。由此反推，當(dāng)拉索探測到1.1拍電子伏的光子，也就提供了2.3拍電子伏電子加速器存在的直接觀測證據(jù)。由此確定在大約僅為太陽系1/10大小的（約5000倍日地距離）星云核心區(qū)內(nèi)存在能量超強的電子加速器。
2.3拍電子伏，這比目前人類在地球上建造的最大的電子加速器產(chǎn)生的電子束的能量高兩萬倍左右。
曹臻說，越高能的電子越容易在磁場中損失能量。也就是說，蟹狀星云內(nèi)的粒子加速機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，其加速效率竟超出理論極限的15%，比超新星爆發(fā)產(chǎn)生的爆震波的加速效率高約1000倍。曹臻分析，這一結(jié)果，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，挑戰(zhàn)了高能天體物理中電子加速的“標(biāo)準(zhǔn)模型”。
這究竟是測量誤差還是真的挑戰(zhàn)了“標(biāo)準(zhǔn)模型”？曹臻認(rèn)為，隨著拉索年內(nèi)全陣列投入運行，觀測樣本數(shù)增加，這些問題都將被解答。未來幾年內(nèi)，更多關(guān)于拍電子伏粒子加速的奧秘也將被揭開。
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