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北宋发现并记录的“客星” 在川被捕捉还测定了亮度

发布时间:2021年07月10日07:09 来源: 成都商报

千年等一回

北宋发现并记录的“客星”在川被捕捉还测定了亮度

四川稻城高海拔宇宙线观测站

测定标准烛光的超高能段亮度

成都商报-红星新闻记者从中国科学院高能物理研究所获悉,位于四川稻城县的国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站(LHAASO)”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。

这次观测还记录到能量达1.1拍电子伏(拍=千万亿)的伽马光子,由此确定在大约仅为太阳系1/10大小的(约5000倍日地距离)星云核心区内存在能力超强的电子加速器,加速能量达到人工加速器产生的电子束的能量(欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机LEP)两万倍左右,直逼经典电动力学和理想流体力学理论所允许的加速极限。相关结果于7月9日在《科学》(Science)上发表,由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成。

标准烛光的前世与今生:

从北宋“客星”到蟹状星云

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。

公元1054年7月4日,我国北宋仁宗至和元年的五月二十六,天空中出现了一颗极亮的大星,因其出现在天关(即金牛座)位置,司天监的天文研究者们称其为“天关客星”。这一天文事件被多部史书记载了下来。

这是历史上最早记载恒星爆炸的文字,记录了了当今天文学界非常著名的蟹状星云的前身恒星初始爆炸时的情景。尽管其距离地球6500光年,人们在地球上仍能看到它的光亮。

LHAASO凭什么突破?

采用四种探测技术测量宇宙线

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,历史上对其光谱已经进行了大量的观测研究,是非常明亮且稳定的高能辐射源,因此在多个波段它被当作标准烛光。

LHAASO测量了蟹状星云辐射的最高能量端能谱,覆盖了从0.0005到1.1拍电子伏宽广的范围,不但确认了此范围内其他实验几十年的观测结果,还实现了前所未有的超高能区(0.3-1.1拍电子伏)的精确测量,这为该能区标准烛光设定了亮度标准。

LHAASO位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,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。LHAASO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。这次报道的成果充分体现了LHAASO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。

意外的惊喜:

发现“超级电子加速器”

在LHAASO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,同时也是唯一明确了辐射源的天体。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LEP(欧洲核子研究中心的LHC前身)产生的电子束的能量高两万倍左右。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LHAASO的测量结果推算,其加速效率竟达到理论极限的15%,比超新星爆发产生的爆震波的加速效率高约一千倍,挑战了高能天体物理中电子加速的“标准模型”。文章对此进行了深入的理论分析和讨论。

对话LHAASO首席科学家曹臻:

千年之后,金牛座传来什么讯息?

在四川稻城高海拔宇宙线观测站测定标准烛光的超高能段亮度的成果发布前夕,中国科学院高能所研究员、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻专程从北京飞到成都,接受一众媒体采访。“这是在四川发现的成果,一定要在四川讲出来!”他说。

此次研究发现意义何在?LHAASO的科学目标是什么?对此,曹臻一一作出了解答。

为超高能区标准烛光设定亮度标准

“这把尺子,被我们中国人找到了!”

成都商报-红星新闻:此次成果除了观测到1.1拍电子伏光子,还实现了前所未有的超高能区(0.3-1.1拍电子伏)的精确测量,其意义何在?

曹臻:除了带来其自身对物理理解的理论模型外,蟹状星云还有一个更为重要的功能,即为该能区标准烛光设定了亮度标准。在最高能段的标准里,在LHAASO之前,没有任何手段可以检测。也就是说,LHAASO开辟了全新的未知领域,且制定了这个领域的实验调查发展的标准。

打个比喻,就像提供了一把标准计量的尺子,将来此类实验,都要以此来检测探测器的测量是否准确。而这把尺子,被我们中国人找到了!

成都商报-红星新闻:您所提到的“星云核心区内存在能力超强的电子加速器,加速能量达到了人工加速器产生的电子束的能量两万倍左右”,此发现意义何在?未来可运用在哪些领域?

曹臻:除了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,未来我们还可能找到和人类制造的地面加速器完全不一样的加速机制和方式,对未来地面加速器的设计和建造有重大指导意义。

此次研究成果主要用于基础物理的研究探索。未来如果我们能造出更高效率的加速器,可用于癌症治疗和诊断等领域。比如,现在的加速器只在大型医院使用,未来这些设备可能更加小型化,在一些小医院里就可以使用。

成都商报-红星新闻:这次的发现也是“千年等一回”,为何距离上一次重大发现,中间隔了那么长时间?

曹臻:科技发展是主要因素。古代只能用肉眼观看,现在有各种各样的波段测量仪器和手段,从贵州的500米口径球面射电望远镜(FAST)到LHAASO,其中覆盖的能量范围是万亿亿倍,包括射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段,LHAASO还覆盖了更高能量的波段。

此外,蟹状星云爆炸后的遗迹星云至今的辐射也比太阳大,爆炸后形成的中子星直径约25公里,以每秒30圈的速度急速旋转着,整个星体至今仍以每秒1000~1500公里的速度扩张着。经过近一千年左右的扩展,高速旋转的超强磁场将脉冲星表面磁层中的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我们看到的星云。

LHAASO今年8月正式投运

“将有更多激动人心的科学突破”

成都商报-红星新闻:时隔近一千年,蟹状星云再次被我们中国人、被四川的科学观测站捕捉到了,对此您有何感受?

曹臻:肯定很自豪。在天文历史中,蟹状星云有很多个“第一”,但这一次的“第一”不太一样,因为我们所观测到的1.1拍电子伏,可能是能观测到的最高能量段,是一个全新的未知领域。在LHAASO建造前,欧洲和美国主流的伽马光子的探测是天文望远镜,其能捕捉到的最高能量为0.1个拍电子伏。在过去二三十年中,发表在《科学》上的,都是几十个零点零几拍电子伏的观测。原因是随着能量升高,电子强度越来越低,如果没有像LHAASO这样高灵敏度的大型探测器,是无法将其捕捉的。这也是此次统计数据尤为重要的原因。

同时,LHAASO可能在未来十年乃至二十年内,都是一个国际领先的大科学装置。可以看到,中国人在科学上的贡献,已经变得越来越重要。

成都商报-红星新闻:不到两个月时间,我们就发布了2次重大成果,对于这个频率您如何看?

曹臻:无论是速度还是更高能量级的发现,都大大超出了我们的预期。值得一提的是,LHAASO是一个非常综合性的探测装置,它一共有4种探测器,从不同角度立体地观测宇宙线,因此它提供了一个非常丰富的宇宙线的知识测量。

成都商报-红星新闻:能否介绍下LHAASO的建设节点和未来三五年的中远期规划?

曹臻:目前LHAASO阵列探测器的安装已全部结束,已进入探测器调试的最后阶段,预计今年7月底可以达到完全观测的条件,8月正式投入运营,年底前完成验收。

LHAASO的未来规划依然是天文观测。目前我们已经发现有12个宇宙线起源的候选天体,未来几年,我们会像此次发布的蟹状星云成果一样,对这些起源去做深入研究。LHAASO的潜力巨大,目前我们的成果仅仅是冰山一角,一旦阵列正式运行,可以预见的是,未来将有更多激动人心的科学突破。

成都商报-红星新闻记者 彭祥萍

【纠错】编辑:张依

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