挑戰理論極限!中國“拉索”精確測量蟹狀星雲超高能伽馬輻射

挑戰理論極限!中國“拉索”精確測量蟹狀星雲超高能伽馬輻射
2021-07-09 11:24 ​中新網 編輯:王夢潔
古籍《文獻通考》中關於1054年客星的記載。 中科院高能所 供圖

中新網北京7月9日電 (記者 孫自法)繼不久前在銀河系內發現首批超高能宇宙加速器、開啓“超高能伽瑪天文學”時代之後,中國正在建設中的國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站”(LHAASO,中文音譯暱稱“拉索”),最新又取得精確測定蟹狀星雲亮度,並在蟹狀星雲內記錄到挑戰理論極限的、高達1100萬億電子伏的伽馬輻射。

高能物理領域這兩項重大科研成果,由中國科學院高能物理研究所(中科院高能所)領銜的“拉索”國際合作組完成,相關成果論文北京時間7月9日凌晨在國際著名學術期刊《科學》(Science)上線發表。

蟹狀星雲(圖片來源NASA)。 中科院高能所 供圖測量蟹狀星雲輻射最高能量端能譜

“拉索”國際合作組發言人、中科院高能所研究員曹臻介紹説,“拉索”此次精確測量了高能天文學“標準燭光”的亮度,覆蓋3.5個量級的能量範圍,為超高能伽馬光源測定了新標準。這個“標準燭光”就是由宋朝的司天監發現並記錄的“客星”經千年演化而形成的著名天體蟹狀星雲。

“拉索”測量了蟹狀星雲輻射的最高能量端能譜,覆蓋從0.0005到1.1拍(1拍=1000萬億)電子伏的寬廣範圍,不但確認此範圍內其他實驗幾十年的觀測結果,還實現前所未有的超高能區(0.3-1.1拍電子伏)的精確測量,從而為該能區“標準燭光”設定了亮度標準。

蟹狀星雲距離地球約6500光年,誕生於公元1054年的一次超級明亮的超新星爆發,是現代天文學中首個被證認的具有清晰歷史觀測記錄的超新星遺蹟。其中心有一顆以每秒鐘30圈快速旋轉的脈衝星,高速旋轉的超強磁場將脈衝星表面磁層中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後會被進一步加速至更高能量併產生人們看到的星雲。

蟹狀星雲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,歷史上對其光譜已進行大量觀測研究,是非常明亮且穩定的高能輻射源,因此在多個波段它被作為“標準燭光”,也即是測量其他天體輻射強度的標尺。

資料圖:從稻城飛往成都的航班上拍攝建設中的“拉索”全景。中新社記者 孫自法 攝

蟹狀星雲加速能量達人工最高兩萬倍

與此同時,“拉索”本次觀測還記錄到能量達1.1拍即1100萬億電子伏的伽馬輻射光子,由此確定在大約僅為太陽系1/10大小(約5000倍日地距離)的蟹狀星雲核心區內存在能力超強的電子加速器,其加速能量達到當今人工加速器產生電子束最高能量的兩萬倍左右,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。

在“拉索”此前發現的12顆超高能伽馬光源中,蟹狀星雲是兩個具有拍電子伏光子發射能力的光源之一,同時也是唯一明確輻射源的天體。而此次測到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證據,這比人類在地球上建造的最大的電子加速器——歐洲核子研究中心大型強子對撞機(LHC)前身正負電子對撞機(LEP)產生電子束的能量高兩萬倍左右。

曹臻指出,因為越高能的電子越容易在磁場中損失能量,蟹狀星雲內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“拉索”的測量結果推算,其加速效率竟達到理論極限的15%,這比超新星爆發產生的爆震波的加速效率高約1000倍,無疑對高能天體物理中電子加速的“標準模型”提出挑戰。

“拉索”本月全部建成將投入科學運行

業內專家稱,這次最新在《科學》發表論文的研究成果,充分體現出“拉索”獨特的多種探測手段相互交叉檢驗的能力,確保測量結果的準確性和可靠性。

由中科院高能所承擔建設、負責運行管理的大科學裝置“拉索”,位於四川省稻城縣海拔4410米的海子山,佔地面積約1.3平方公里,是由5195個電磁粒子探測器和1188個繆子探測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器陣列以及18台廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的複合陣列。

“拉索”採用這四種探測技術,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,並重建它們的基本信息。

曹臻表示,“拉索”計劃於2021年7月全部建成並投入科學運行,預期每年可以記錄到1-2個來自蟹狀星雲的拍電子伏光子。因此,未來幾年內,更多關於拍電子伏粒子加速的奧祕將有望被揭開。(完)

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