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

蟹狀星云 （圖片來自NASA）

高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）

圖片來自《科學(xué)》（Science）

記者日前從中國科學(xué)院成都分院獲悉，國家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）”精確測量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。這個標(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。

這次觀測還記錄到能量達(dá)1.1拍電子伏（拍=千萬億）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）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)電子對撞機(jī)LEP）兩萬倍左右，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。相關(guān)結(jié)果于美國東部時間7月8日在《科學(xué)》雜志（Science）上發(fā)表，由中國科學(xué)院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。

LHAASO測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)其他實驗幾十年的觀測結(jié)果，還實現(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，提供了2.3拍電子伏電子加速器存在的直接觀測證據(jù)，這比人類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倍左右。因為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(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”。文章對此進(jìn)行了深入的理論分析和討論。

對話科學(xué)家

針對這一新發(fā)現(xiàn)的科學(xué)問題，記者專訪了中國科學(xué)院LHAASO項目首席科學(xué)家曹臻。我們一起來聽聽吧！

LHAASO項目首席科學(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，作為計量單位，需要一個標(biāo)準(zhǔn)，比如長度我們用米、質(zhì)量用公斤等。一直以來光的亮度計量也有一個標(biāo)準(zhǔn)計量單位，叫“標(biāo)準(zhǔn)燭光”。在古代，人們觀測星星的亮度會用燭光作為參照，這種叫法一直延續(xù)到今天。

但是要作為計量標(biāo)準(zhǔn)需要進(jìn)行測量，比如我們的長度單位以米為標(biāo)準(zhǔn)，也是經(jīng)過測量和計算的。它有一個標(biāo)準(zhǔn)長度的原器，存放于巴黎國際計量局的地下室中。而標(biāo)準(zhǔn)燭光的標(biāo)準(zhǔn)是通過歷史觀測逐漸積累起來的。在過去30年里，科學(xué)家一直用一種大型的望遠(yuǎn)鏡來給蟹狀星云做測量，給大家建立起一個非常穩(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來制定。

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

曹臻：目前大家習(xí)慣用蟹狀星云來作為光、能量的標(biāo)準(zhǔn)對照，原因是因為它在整個電磁波段上面都有輻射，包括可見光以及我們測量到最高能量的伽馬光子。同時它又是個非常穩(wěn)定的光源，所以我們學(xué)術(shù)界普遍就用它來做一個標(biāo)準(zhǔn)。

蟹狀星云距離地球約6500光年，誕生于公元1054年的一次超級明亮的超新星爆發(fā)，這是現(xiàn)代天文學(xué)中第一個被證認(rèn)的具有清晰歷史觀測記錄的超新星遺跡。超新星爆發(fā)是恒星在演化接近末期時經(jīng)歷的一種劇烈爆炸。這種爆炸都極其明亮，過程中所突發(fā)的電磁輻射經(jīng)常能夠照亮其所在的整個星系，并可持續(xù)幾周至幾個月才會逐漸衰減變?yōu)椴豢梢?。恒星通過爆炸會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 ，并向周圍的星際物質(zhì)輻射激波。這種激波會導(dǎo)致形成一個膨脹的氣體和塵埃構(gòu)成的殼狀結(jié)構(gòu)，這被稱作超星星遺跡?？茖W(xué)家認(rèn)為初級宇宙射線有很大的比例來自超新星。

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(jìn)行了大量的觀測研究，是非常明亮且穩(wěn)定的高能輻射源，因此在多個波段它被作為標(biāo)準(zhǔn)燭光，也即是測量其它天體輻射強(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=千萬億）的伽馬光子，這是一個什么樣的突破呢？

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，光波最基本的特點就是，波長越長能量越低，波長越短能量越高。在長波的觀測領(lǐng)域的觀測手段是大家都知道的“中國天眼”（FAST）。這個500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡能夠測量到波長非常長的光輻射，大概是在分米到米的量級。而這次LHAASO觀測光波的波長比它小了萬億億倍，這是一個非常非常小的一個尺度。比過去人類觀測到的光波長度還小了10倍。這個尺度已經(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。相對的，它的能量也就高了萬億億倍。

記者：這次發(fā)現(xiàn)有什么意義，可能會運用在哪些方面？

曹臻：首先，LHAASO是高海拔宇宙線觀測站，顧名思義就是觀測宇宙線。宇宙線是來自宇宙空間的高能粒子，是連接宇觀與微觀的重要載體。對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，是人類探索宇宙及其演化的重要途徑。

人類對宇宙的探索，總是在不斷追求、探索未知的東西。在超高能伽馬射線探測中，過去已知的探測到0.1個拍電子伏這個水平。現(xiàn)在LHAASO把觀測的范圍又?jǐn)U展了10倍。這個發(fā)現(xiàn)的意義就是人類在了解這種高加速粒子加速到非常高速的過程中，人類的認(rèn)知又進(jìn)一步擴(kuò)展。

現(xiàn)在我們觀測到1.1個拍電子伏光子的出現(xiàn)，尤其是在蟹狀星云這樣一個特定的環(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能力超強(qiáng)的加速器。

加速器把電場和磁場進(jìn)行組合，使粒子的能量提高到很高的量。其實，類似這種原理的低量級加速器在我們生活中很多領(lǐng)域已經(jīng)有運用。比如醫(yī)療領(lǐng)域，運用伽馬射線對癌癥進(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。而人類所能制作的加速器產(chǎn)生的能量（如北京正負(fù)電子對撞機(jī)束流能量）也比我們觀測到的少100萬倍。因此，當(dāng)我們對宇宙加速器有了更深入的了解，必將對人類產(chǎn)生更加廣泛的影響。

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LHAASO是以宇宙線觀測研究為核心的國家重大科技基礎(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臺廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯排布組成的復(fù)合陣列。LHAASO采用四種探測技術(shù)，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(yīng)，并重建它們的基本信息。這次報道的成果充分體現(xiàn)了LHAASO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(zhǔn)確性和可靠性。LHAASO將于本月全部投入運行，預(yù)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(guān)于拍電子伏粒子加速的奧秘將被揭開。