測量宋朝記錄的一顆“星” “拉索”新發現挑戰理論極限

1054年，宋朝的天空上出現了一顆不一樣的星。這顆星在夜空閃耀23天，被當時的司天監以“天關客星”的名字記錄在案。

967年後，位於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。科學家們確認，這個標準燭光就是由“天關客星”經千年演化形成的著名天體——蟹狀星雲。新測量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。

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）星雲核心區內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生的電子束的能量兩萬倍左右，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。相關研究成果近日在線發表於《科學》雜誌。

蟹狀星雲距離地球約6500光年，誕生於1054年宋朝的一次超級明亮的超新星爆發，這是現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蹟。

該遺蹟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的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。”“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碰撞後會被進一步加速至更高能量併產生我們看到的星雲。

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，是非常明亮且穩定的高能輻射源，歷史上天文學家對其光譜已經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，也就是測量其他天體輻射強度的標尺。

“‘拉索’測量了蟹狀星雲輻射的最高能量端能譜，覆蓋範圍從0.0005拍電子伏到1.1拍電子伏，不僅確認了此範圍內其他實驗幾十年的觀測結果，還實現了前所未有的0.3—1.1拍電子伏超高能區的精確測量，這為該能區標準燭光設定了亮度標準。”曹臻説。

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，科學家發現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。

“由於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。”曹臻説，據“拉索”的測量結果推算，其加速效率可以達到理論極限的15%，比超新星爆發產生的爆震波的加速效率高約一千倍，挑戰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，確保測量結果的準確性和可靠性。“拉索”將於2021年7月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，未來幾年內，更多關於拍電子伏粒子加速的奧秘將被揭開。