1054年，宋朝的天空上出現(xiàn)了一顆不一樣的星。這顆星在夜空閃耀23天，被當時的司天監(jiān)以“天關客星”的名字記錄在案。
967年后，位于四川稻城的大科學工程高海拔宇宙線觀測站“拉索”(LHAASO)精確測量了一個高能天文學標準燭光的亮度?？茖W家們確認，這個標準燭光就是由“天關客星”經(jīng)千年演化形成的著名天體——蟹狀星云。新測量標準燭光的亮度覆蓋3.5個量級的能量范圍，為超高能伽馬光源測定了新標準。
同時，“拉索”還記錄到能量達1.1拍電子伏(千萬億電子伏特)的伽馬光子，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)存在能力超強的電子加速器，加速能量達到了人工加速器產(chǎn)生的電子束的能量兩萬倍左右，直逼經(jīng)典電動力學和理想磁流體力學理論所允許的加速極限。相關研究成果7月9日在線發(fā)表于《科學》雜志。
蟹狀星云距離地球約6500光年，誕生于1054年宋朝的一次超級明亮的超新星爆發(fā)，這是現(xiàn)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。
該遺跡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)的超強磁場將脈沖星表面磁層中的大量正負電子持續(xù)不斷地吹向四周，形成一股速度近乎光速的強勁星風。”“拉索”首席科學家、中國科學院高能物理研究所研究員曹臻介紹，星風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。
蟹狀星云是為數(shù)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，是非常明亮且穩(wěn)定的高能輻射源，歷史上天文學家對其光譜已經(jīng)進行了大量的觀測研究，因此在多個波段它被作為標準燭光，也就是測量其它天體輻射強度的標尺。
“‘拉索’測量了蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋范圍從0.0005拍電子伏到1.1拍電子伏，不僅確認了此范圍內(nèi)其他實驗幾十年的觀測結(jié)果，還實現(xiàn)了前所未有的0.3-1.1拍電子伏超高能區(qū)的精確測量，這為該能區(qū)標準燭光設定了亮度標準。”曹臻說。
在“拉索”此前發(fā)現(xiàn)的12顆超高能伽馬光源中，蟹狀星云是兩個具有拍電子伏光子發(fā)射能力的光源之一，同時也是唯一明確了輻射源的天體。
而此次測到1.1拍電子伏光子，通過反推，科學家發(fā)現(xiàn)其電子加速器的原初電子能量可達2.3拍電子伏，比人類在地球上建造的最大的電子加速器LEP產(chǎn)生的電子束的能量高兩萬倍左右，為存在2.3拍電子伏電子加速器提供了直接觀測證據(jù)。
“由于越高能的電子越容易在磁場中損失能量，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。”曹臻說，據(jù)“拉索”的測量結(jié)果推算，其加速效率可以達到理論極限的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“標準模型”。
曹臻表示，這次報道的成果充分體現(xiàn)了“拉索”獨特的多種探測手段相互交叉檢驗的能力，確保測量結(jié)果的準確性和可靠性。“拉索”將于2021年7月建成并投入科學運行，預期每年可以記錄到1~2個來自蟹狀星云的拍電子伏光子，未來幾年內(nèi)，更多關于拍電子伏粒子加速的奧秘將被揭開。(記者 陸成寬)
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