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测量宋朝记录的一颗“星”,“拉索”新发现挑战理论极限

文章来自:青桥细雨
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发布时间:2021-07-09 11:20:10
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◎ 科技日报记者 陆成宽

1054年,宋朝的天空上出现了一颗不一样的星。这颗星在夜空闪耀23天,被当时的司天监以“天关客星”的名字记录在案。

967年后,位于四川稻城的大科学工程高海拔宇宙线观测站“拉索”精确测量了一个高能天文学标准烛光的亮度。科学家们确认,这个标准烛光就是由“天关客星”经演化形成的著名天体——蟹状星云。新测量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。

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同时,“拉索”还记录到能量达1.1拍电子伏的伽马光子,由此确定在大约仅为太阳系1/10大小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,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。相关研究成果7月9日在线发表于《科学》杂志。

蟹状星云距离地球约6500光年,诞生于一次超新星爆发,我国宋朝时期观测到了这次事件,这是现代天文学中第一个被证认的具有清晰历史观测记录的超新星遗迹。

该遗迹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。”“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻介绍,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。

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,是非常明亮且稳定的高能辐射源,历史上天文学家对其光谱已经进行了大量的观测研究,因此在多个波段它被作为标准烛光,也就是测量其它天体辐射强度的标尺。

“‘拉索’测量了蟹状星云辐射的最高能量端能谱,覆盖范围从0.0005拍电子伏到1.1拍电子伏,不仅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0.3-1.1拍电子伏超高能区的精确测量,这为该能区标准烛光设定了亮度标准。”曹臻说。

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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,同时也是唯一明确了辐射源的天体。

而此次测到1.1拍电子伏光子,通过反推,科学家发现其电子加速器的原初电子能量可达2.3拍电子伏,比人类在地球上建造的最大的电子加速器LEP产生的电子束的能量高两万倍左右,为存在2.3拍电子伏电子加速器提供了直接观测证据。

“由于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。”曹臻说,据“拉索”的测量结果推算,其加速效率可以达到理论极限的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”。

曹臻表示,这次报道的成果充分体现了“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。“拉索”将于2021年7月全部建成并投入运行,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,未来几年内,更多关于拍电子伏粒子加速的奥秘将被揭开。