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北宋發現並記錄的“客星” 在川被捕捉還測定了亮度

北宋發現並記錄的“客星” 在川被捕捉還測定了亮度

2021年07月10日 03:45 來源:成都商報參與互動參與互動

  千年等一回

  北宋發現並記錄的“客星”在川被捕捉還測定了亮度

  四川稻城高海拔宇宙線觀測站

  測定標準燭光的超高能段亮度

  成都商報-紅星新聞記者從中國科學院高能物理研究所獲悉,位於四川稻城縣的國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)”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。

  這次觀測還記錄到能量達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)星雲核心區內存在能力超強的電子加速器,加速能量達到人工加速器產生的電子束的能量(歐洲核子研究中心大型正負電子對撞機LEP)兩萬倍左右,直逼經典電動力學和理想流體力學理論所允許的加速極限。相關結果於7月9日在《科學》(Science)上發表,由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。

  標準燭光的前世與今生:

  從北宋“客星”到蟹狀星雲

  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。

  公元1054年7月4日,我國北宋仁宗至和元年的五月二十六,天空中出現了一顆極亮的大星,因其出現在天關(即金牛座)位置,司天監的天文研究者們稱其為“天關客星”。這一天文事件被多部史書記載了下來。

  這是歷史上最早記載恆星爆炸的文字,記錄了了當今天文學界非常著名的蟹狀星雲的前身恆星初始爆炸時的情景。儘管其距離地球6500光年,人們在地球上仍能看到它的光亮。

  LHAASO憑什麼突破?

  採用四種探測技術測量宇宙線

  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,歷史上對其光譜已經進行了大量的觀測研究,是非常明亮且穩定的高能輻射源,因此在多個波段它被當作標準燭光。

  LHAASO測量了蟹狀星雲輻射的最高能量端能譜,覆蓋了從0.0005到1.1拍電子伏寬廣的範圍,不但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超高能區(0.3-1.1拍電子伏)的精確測量,這為該能區標準燭光設定了亮度標準。

  LHAASO位於四川省稻城縣海拔4410米的海子山,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。LHAASO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。這次報道的成果充分體現了LHAASO獨特的多種探測手段相互交叉檢驗的能力,確保測量結果的準確性和可靠性。

  意外的驚喜:

  發現“超級電子加速器”

  在LHAASO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,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LEP(歐洲核子研究中心的LHC前身)產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LHAASO的測量結果推算,其加速效率竟達到理論極限的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”。文章對此進行了深入的理論分析和討論。

  對話LHAASO首席科學家曹臻:

  千年之後,金牛座傳來什麼訊息?

  在四川稻城高海拔宇宙線觀測站測定標準燭光的超高能段亮度的成果發佈前夕,中國科學院高能所研究員、高海拔宇宙線觀測站首席科學家曹臻專程從北京飛到成都,接受一眾媒體採訪。“這是在四川發現的成果,一定要在四川講出來!”他説。

  此次研究發現意義何在?LHAASO的科學目標是什麼?對此,曹臻一一作出瞭解答。

  為超高能區標準燭光設定亮度標準

  “這把尺子,被我們中國人找到了!”

  成都商報-紅星新聞:此次成果除了觀測到1.1拍電子伏光子,還實現了前所未有的超高能區(0.3-1.1拍電子伏)的精確測量,其意義何在?

  曹臻:除了帶來其自身對物理理解的理論模型外,蟹狀星雲還有一個更為重要的功能,即為該能區標準燭光設定了亮度標準。在最高能段的標準裏,在LHAASO之前,沒有任何手段可以檢測。也就是説,LHAASO開闢了全新的未知領域,且制定了這個領域的實驗調查發展的標準。

  打個比喻,就像提供了一把標準計量的尺子,將來此類實驗,都要以此來檢測探測器的測量是否準確。而這把尺子,被我們中國人找到了!

  成都商報-紅星新聞:您所提到的“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”,此發現意義何在?未來可運用在哪些領域?

  曹臻:除了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,未來我們還可能找到和人類製造的地面加速器完全不一樣的加速機制和方式,對未來地面加速器的設計和建造有重大指導意義。

  此次研究成果主要用於基礎物理的研究探索。未來如果我們能造出更高效率的加速器,可用於癌症治療和診斷等領域。比如,現在的加速器只在大型醫院使用,未來這些設備可能更加小型化,在一些小醫院裏就可以使用。

  成都商報-紅星新聞:這次的發現也是“千年等一回”,為何距離上一次重大發現,中間隔了那麼長時間?

  曹臻:科技發展是主要因素。古代只能用肉眼觀看,現在有各種各樣的波段測量儀器和手段,從貴州的500米口徑球面射電望遠鏡(FAST)到LHAASO,其中覆蓋的能量範圍是萬億億倍,包括射電、紅外、光學、紫外、X射線和伽馬射線波段,LHAASO還覆蓋了更高能量的波段。

  此外,蟹狀星雲爆炸後的遺蹟星雲至今的輻射也比太陽大,爆炸後形成的中子星直徑約25公里,以每秒30圈的速度急速旋轉着,整個星體至今仍以每秒1000~1500公里的速度擴張着。經過近一千年左右的擴展,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。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。

  LHAASO今年8月正式投運

  “將有更多激動人心的科學突破”

  成都商報-紅星新聞:時隔近一千年,蟹狀星雲再次被我們中國人、被四川的科學觀測站捕捉到了,對此您有何感受?

  曹臻:肯定很自豪。在天文歷史中,蟹狀星雲有很多個“第一”,但這一次的“第一”不太一樣,因為我們所觀測到的1.1拍電子伏,可能是能觀測到的最高能量段,是一個全新的未知領域。在LHAASO建造前,歐洲和美國主流的伽馬光子的探測是天文望遠鏡,其能捕捉到的最高能量為0.1個拍電子伏。在過去二三十年中,發表在《科學》上的,都是幾十個零點零幾拍電子伏的觀測。原因是隨着能量升高,電子強度越來越低,如果沒有像LHAASO這樣高靈敏度的大型探測器,是無法將其捕捉的。這也是此次統計數據尤為重要的原因。

  同時,LHAASO可能在未來十年乃至二十年內,都是一個國際領先的大科學裝置。可以看到,中國人在科學上的貢獻,已經變得越來越重要。

  成都商報-紅星新聞:不到兩個月時間,我們就發佈了2次重大成果,對於這個頻率您如何看?

  曹臻:無論是速度還是更高能量級的發現,都大大超出了我們的預期。值得一提的是,LHAASO是一個非常綜合性的探測裝置,它一共有4種探測器,從不同角度立體地觀測宇宙線,因此它提供了一個非常豐富的宇宙線的知識測量。

  成都商報-紅星新聞:能否介紹下LHAASO的建設節點和未來三五年的中遠期規劃?

  曹臻:目前LHAASO陣列探測器的安裝已全部結束,已進入探測器調試的最後階段,預計今年7月底可以達到完全觀測的條件,8月正式投入運營,年底前完成驗收。

  LHAASO的未來規劃依然是天文觀測。目前我們已經發現有12個宇宙線起源的候選天體,未來幾年,我們會像此次發佈的蟹狀星雲成果一樣,對這些起源去做深入研究。LHAASO的潛力巨大,目前我們的成果僅僅是冰山一角,一旦陣列正式運行,可以預見的是,未來將有更多激動人心的科學突破。

  成都商報-紅星新聞記者 彭祥萍

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