挑战理论极限!中国“拉索”精确测量蟹状星云超高能伽马辐射

中新网北京7月9日电 (记者 孙自法)继不久前在银河系内发现首批超高能宇宙加速器、开启“超高能伽玛天文学”时代之后,中国正在建设中的国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO,中文音译昵称“拉索”),最新又取得精确测定蟹状星云亮度,并在蟹状星云内记录到挑战理论极限的、高达1100万亿电子伏的伽马辐射。

高能物理领域这两项重大科研成果,由中国科学院高能物理研究所(中科院高能所)领衔的“拉索”国际合作组完成,相关成果论文北京时间7月9日凌晨在国际著名学术期刊《科学》(Science)上线发表。

测量蟹状星云辐射最高能量端能谱

“拉索”国际合作组发言人、中科院高能所研究员曹臻介绍说,“拉索”此次精确测量了高能天文学“标准烛光”的亮度,覆盖3.5个量级的能量范围,为超高能伽马光源测定了新标准。这个“标准烛光”就是由宋朝的司天监发现并记录的“客星”经千年演化而形成的著名天体蟹状星云。

“拉索”测量了蟹状星云辐射的最高能量端能谱,覆盖从0.0005到1.1拍(1拍=1000万亿)电子伏的宽广范围,不但确认此范围内其他实验几十年的观测结果,还实现前所未有的超高能区(0.3-1.1拍电子伏)的精确测量,从而为该能区“标准烛光”设定了亮度标准。

蟹状星云距离地球约6500光年,诞生于公元1054年的一次超级明亮的超新星爆发,是现代天文学中首个被证认的具有清晰历史观测记录的超新星遗迹。其中心有一颗以每秒钟30圈快速旋转的脉冲星,高速旋转的超强磁场将脉冲星表面磁层中大量正负电子持续不断地吹向四周,形成一股速度近乎光速的强劲星风。星风中的电子与外部介质碰撞后会被进一步加速至更高能量并产生人们看到的星云。

蟹状星云是为数极少的在射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段都有辐射的天体,历史上对其光谱已进行大量观测研究,是非常明亮且稳定的高能辐射源,因此在多个波段它被作为“标准烛光”,也即是测量其他天体辐射强度的标尺。

蟹状星云加速能量达人工最高两万倍

与此同时,“拉索”本次观测还记录到能量达1.1拍即1100万亿电子伏的伽马辐射光子,由此确定在大约仅为太阳系1/10大小(约5000倍日地距离)的蟹状星云核心区内存在能力超强的电子加速器,其加速能量达到当今人工加速器产生电子束最高能量的两万倍左右,直逼经典电动力学和理想磁流体力学理论所允许的加速极限。

在“拉索”此前发现的12颗超高能伽马光源中,蟹状星云是两个具有拍电子伏光子发射能力的光源之一,同时也是唯一明确辐射源的天体。而此次测到1.1拍电子伏光子,提供了2.3拍电子伏电子加速器存在的直接观测证据,这比人类在地球上建造的最大的电子加速器——欧洲核子研究中心大型强子对撞机(LHC)前身正负电子对撞机(LEP)产生电子束的能量高两万倍左右。

曹臻指出,因为越高能的电子越容易在磁场中损失能量,蟹状星云内的粒子加速机制必须具有惊人效率才能克服这些电子的能量损失。据“拉索”的测量结果推算,其加速效率竟达到理论极限的15%,这比超新星爆发产生的爆震波的加速效率高约1000倍,无疑对高能天体物理中电子加速的“标准模型”提出挑战。

“拉索”本月全部建成将投入科学运行

业内专家称,这次最新在《科学》发表论文的研究成果,充分体现出“拉索”独特的多种探测手段相互交叉检验的能力,确保测量结果的准确性和可靠性。

由中科院高能所承担建设、负责运行管理的大科学装置“拉索”,位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,占地面积约1.3平方公里,是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列、78000平方米水切伦科夫探测器阵列以及18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。

“拉索”采用这四种探测技术,可以全方位、多变量、立体地测量宇宙线或伽马射线在大气层中的反应,并重建它们的基本信息。

曹臻表示,“拉索”计划于2021年7月全部建成并投入科学运行,预期每年可以记录到1-2个来自蟹状星云的拍电子伏光子。因此,未来几年内,更多关于拍电子伏粒子加速的奥秘将有望被揭开。(完)