高山上的“火眼金睛”

南方周末特約撰稿　鞠強(qiáng)

高海拔宇宙線觀測(cè)站全景航拍。中科院高能所　?圖

★中國(guó)科學(xué)家通過(guò)精確的測(cè)量為超高能的伽馬光源設(shè)立了新標(biāo)準(zhǔn)，并由超高能量的伽馬光子推測(cè)宇宙中存在強(qiáng)大的電子加速器。該成果來(lái)自建立在四川高山上的宇宙線觀測(cè)站。

在晴朗的夜晚，我們欣賞滿天繁星，卻不知在這背后宇宙其實(shí)暗流洶涌，時(shí)刻都在發(fā)生著我們?nèi)庋鄄豢梢?jiàn)的能量極高的事件。其中很多事件產(chǎn)生的高能粒子來(lái)到地球，這些粒子以電離的原子核為主，還包括少量的正負(fù)電子和伽馬射線，因?yàn)閬?lái)自宇宙而被稱作宇宙線。宇宙線攜帶著很多關(guān)于宇宙的信息，因此成為科學(xué)家研究的重點(diǎn)。由中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所牽頭建設(shè)的國(guó)家重大科技基礎(chǔ)設(shè)施“高海拔宇宙線觀測(cè)站”（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）的科學(xué)目標(biāo)就是探索高能宇宙線起源以及相關(guān)的宇宙演化、高能天體演化和暗物質(zhì)的研究。

美國(guó)東部時(shí)間2021年7月8日，LHAASO合作組在《科學(xué)》（Sci-ence）上發(fā)表了最新研究成果，宣布他們精確測(cè)量了高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光的亮度，為超高能伽馬光源測(cè)定了新標(biāo)準(zhǔn)；同時(shí)還觀測(cè)到能量達(dá)到1.1拍電子伏（PeV，1拍=1千萬(wàn)億）的伽馬光子，證明了宇宙中存在能力超強(qiáng)的電子加速器，并對(duì)現(xiàn)有理論提出了挑戰(zhàn)。

天關(guān)客星

高能天文學(xué)標(biāo)準(zhǔn)燭光指的是測(cè)量其他天體輻射強(qiáng)度的標(biāo)尺。標(biāo)準(zhǔn)燭光可以看作是宇宙中已知亮度的“燈泡”，科學(xué)家可以以此為參照測(cè)量其他天體的亮度進(jìn)而推測(cè)這些天體的距離。這次LHAASO合作組測(cè)定的作為標(biāo)準(zhǔn)燭光的天體是著名的蟹狀星云（crab nebula）。

人類對(duì)蟹狀星云及其前身的觀測(cè)已經(jīng)延續(xù)近千年。公元1054年，即北宋至和元年，發(fā)生了一次超新星爆發(fā)事件，我國(guó)古代天文學(xué)家觀察到了這個(gè)事件并進(jìn)行了記錄，相關(guān)記載可見(jiàn)于《宋會(huì)要》等宋代文獻(xiàn)。我國(guó)古代將突然出現(xiàn)的星星稱作“客星”，1054年的這顆超新星出現(xiàn)在天關(guān)星（金牛座ζ）附近，故名“天關(guān)客星”。在現(xiàn)代天文學(xué)里，這次超新星爆發(fā)編號(hào)為SN 1054。

這次超新星爆發(fā)的遺跡經(jīng)過(guò)近千年的演化就是我們今天看到的蟹狀星云。1731年，英國(guó)外科醫(yī)生和天文學(xué)家約翰·貝維斯（John Bevis）首次發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云。1758年，法國(guó)天文學(xué)家查爾斯·梅西耶（Charles Messier）在搜尋彗星時(shí)又獨(dú)立發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云。1774年，他在編制著名的梅西耶星表時(shí)把蟹狀星云排在第一個(gè)，編號(hào)為M1。1844年，英國(guó)天文學(xué)家威廉·羅斯（William Par-sonsRosse）對(duì)M1進(jìn)行觀測(cè)，由于他使用的望遠(yuǎn)鏡分辨率不高，這個(gè)星云看起來(lái)就像是一只螃蟹，因此他把這個(gè)星云命名為蟹狀星云。

1921年，天文學(xué)家約翰·鄧肯（John Duncan）通過(guò)比較不同的照片發(fā)現(xiàn)了蟹狀星云膨脹的跡象。同年，另一位天文學(xué)家克努特·倫德馬克（Knut Lundmark）注意到蟹狀星云與中國(guó)北宋時(shí)期記錄的“客星”位置相近。1928年，天文學(xué)家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）認(rèn)為蟹狀星云就是1054年超新星爆發(fā)后留下的遺跡。這樣，蟹狀星云成為現(xiàn)代天文學(xué)中第一個(gè)被證認(rèn)的具有清晰歷史觀測(cè)記錄的超新星遺跡。

蟹狀星云距離地球約6500光年，直徑約11光年，并以每秒鐘大約1500千米的速度在膨脹。1969年，天文學(xué)家在蟹狀星云的中心發(fā)現(xiàn)了一顆以每秒鐘30.2圈快速旋轉(zhuǎn)的脈沖星，這是首顆被確認(rèn)為歷史上超新星爆發(fā)遺跡的天體。這顆脈沖星高速旋轉(zhuǎn)的超強(qiáng)磁場(chǎng)將表面磁層中的大量正負(fù)電子持續(xù)不斷地吹向四周，形成一股速度接近光速的強(qiáng)勁星風(fēng)。星風(fēng)中的電子與外部介質(zhì)碰撞后會(huì)被進(jìn)一步加速至更高能量并產(chǎn)生我們看到的星云。

蟹狀星云是為數(shù)極少的在射電、紅外、光學(xué)、紫外、X射線和伽馬射線波段都有輻射的天體，因此具有重要的研究?jī)r(jià)值?？茖W(xué)家對(duì)其光譜已經(jīng)進(jìn)行了大量的觀測(cè)研究，光譜精確測(cè)量跨越22個(gè)量級(jí)。蟹狀星云是非常明亮且穩(wěn)定的高能輻射源，因此在多個(gè)波段上它被作為標(biāo)準(zhǔn)燭光。

火眼金睛

這次測(cè)量了蟹狀星云亮度的LHAASO位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山，占地面積約1.3平方千米，是由5195個(gè)電磁粒子探測(cè)器和1188個(gè)繆子探測(cè)器組成的1平方千米地面簇射粒子陣列（簡(jiǎn)稱KM2A）、78000平方米的含有3120個(gè)探測(cè)器單元的水切倫科夫探測(cè)器陣列以及18臺(tái)廣角切倫科夫望遠(yuǎn)鏡交錯(cuò)排布組成的復(fù)合陣列。LHAASO采用這四種探測(cè)技術(shù)，可以全方位、多變量、立體地測(cè)量宇宙線或伽馬射線在大氣層中的反應(yīng)，并重建它們的基本信息。

2017年，LHAASO主體建設(shè)工程破土動(dòng)工。此后，LAHHSO遵循“邊建設(shè)邊運(yùn)行”的安排，1/2規(guī)模KM2A（由2365臺(tái)電磁粒子探測(cè)器和578個(gè)繆子探測(cè)器組成）自2019年12月底正式運(yùn)行。2020年12月，3/4規(guī)模KM2A實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定運(yùn)行與采數(shù)。2021年7月1日，電磁粒子探測(cè)器陣列安裝完成，成為繼繆子探測(cè)器全陣列建成之后的又一標(biāo)志性的事件。LAHHSO預(yù)計(jì)在2021年7月底之前實(shí)現(xiàn)KM2A全陣列的正常運(yùn)行和物理采數(shù)。

近年來(lái)，我國(guó)在基礎(chǔ)科學(xué)研究設(shè)備方面取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，世界上口徑最大的射電望遠(yuǎn)鏡、有“天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠(yuǎn)鏡（FAST）已經(jīng)建成并投入使用，硬X射線調(diào)制望遠(yuǎn)鏡（HXMT）“慧眼”發(fā)射升空后獲得了一系列重要的觀測(cè)結(jié)果。探測(cè)宇宙高能粒子的強(qiáng)大能力使得LAHH-SO成為高山上的“火眼金睛”。

伽馬射線是一種波長(zhǎng)短、能量高的電磁波。在此之前，包括中國(guó)在內(nèi)的世界上多個(gè)國(guó)家的探測(cè)器都測(cè)量過(guò)蟹狀星云的伽馬射線輻射。但是受制于探測(cè)能力的限制，此前并沒(méi)有對(duì)0.3拍電子伏以上能量段的精確測(cè)量。LHAASO合作組這次在論文中公布了他們測(cè)量的蟹狀星云輻射的最高能量端能譜，覆蓋了從0.0005到1.1拍電子伏寬廣的范圍，不但確認(rèn)了此范圍內(nèi)其他實(shí)驗(yàn)幾十年的觀測(cè)結(jié)果，還實(shí)現(xiàn)了前所未有的超高能區(qū)（0.3-1.1拍電子伏）的精確測(cè)量，這為該能區(qū)標(biāo)準(zhǔn)燭光設(shè)定了亮度標(biāo)準(zhǔn)。

LHAASO還測(cè)量到能量達(dá)1.1拍電子伏的伽馬光子，科學(xué)家由此確定在大約僅為太陽(yáng)系1/10大小（約5000倍日地距離）的蟹狀星云核心區(qū)內(nèi)存在能力超強(qiáng)的電子加速器，加速能力可以達(dá)到2.3拍電子伏，這個(gè)加速能量達(dá)到了世界上最大的電子加速器——?dú)W洲核子研究中心大型正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)（LEP）產(chǎn)生的電子束的能量的兩萬(wàn)倍左右。

科學(xué)家此前利用簡(jiǎn)單的電子加速模型就能對(duì)蟹狀星云的光譜做出精確解釋，這被稱作“標(biāo)準(zhǔn)模型”，但是這次的研究成果卻對(duì)“標(biāo)準(zhǔn)模型”提出了挑戰(zhàn)。因?yàn)樵礁吣艿碾娮釉饺菀自诖艌?chǎng)中損失能量，蟹狀星云內(nèi)的粒子加速機(jī)制必須具有驚人效率才能克服這些電子的能量損失。研究人員根據(jù)LHAASO的測(cè)量結(jié)果推算，發(fā)現(xiàn)其粒子加速效率要比超新星爆發(fā)產(chǎn)生的爆震波的加速效率高約一千倍，已經(jīng)逼近了經(jīng)典電動(dòng)力學(xué)和磁流體力學(xué)的理論極限?！皹?biāo)準(zhǔn)模型”在能量較低的波段與數(shù)據(jù)吻合得很好，但是在LHAASO觀測(cè)到的超高能波段，已經(jīng)明顯偏離了“標(biāo)準(zhǔn)模型”。研究人員需要繼續(xù)積累更多的觀測(cè)數(shù)據(jù)，從而對(duì)現(xiàn)有理論進(jìn)行修正并進(jìn)一步加深對(duì)宇宙線的認(rèn)識(shí)。

捷報(bào)頻傳

雖然還未正式建成，但是LHAASO在此之前已經(jīng)取得了重要的觀測(cè)成果。2021年5月19日，LHAASO合作組在《自然》（Nature）上發(fā)表了一篇論文，宣布在銀河系內(nèi)發(fā)現(xiàn)大量超高能宇宙加速器，并記錄到最高1.4拍電子伏伽馬光子。這是人類觀測(cè)到的最高能量光子，開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”的新時(shí)代。這篇論文的成果是基于2019年12月底正式運(yùn)行的1/2規(guī)模探測(cè)裝置在2020年內(nèi)11個(gè)月的觀測(cè)結(jié)果。

LAHHSO合作組在《自然》上發(fā)表的這項(xiàng)研究成果在宇宙線研究領(lǐng)域具有里程碑的意義。在這項(xiàng)研究的觀測(cè)中，在LHAASO能夠有效觀測(cè)到的伽馬射線源中，幾乎所有的天體都具有輻射能譜在0.1　拍電子伏以上的超高能區(qū)，說(shuō)明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過(guò)了1　拍電子伏。這就揭示了銀河系內(nèi)普遍存在能夠?qū)⒘Ｗ幽芰考铀俚匠^(guò)1　拍電子伏的宇宙加速器，而人類在地球上目前為止建造的最大的加速器（歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)）只能將粒子加速到0.01拍電子伏，也就是說(shuō)這些宇宙加速器的加速能力是大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)的100倍以上。

LHAASO的發(fā)現(xiàn)開啟了“超高能伽馬天文學(xué)”新時(shí)代。1989年，美國(guó)亞利桑那州惠普爾天文臺(tái)的實(shí)驗(yàn)組成功發(fā)現(xiàn)了首個(gè)伽馬輻射能量超過(guò)0.1太電子伏（TeV，1太=1萬(wàn)億）的天體，標(biāo)志著“甚高能伽馬天文學(xué)”時(shí)代的開啟。在隨后的30年里，科學(xué)家陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了超過(guò)200個(gè)“甚高能”伽馬射線源。2019年，人類探測(cè)到首個(gè)具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。LHAASO合作組在這篇論文中報(bào)告了他們?cè)?1個(gè)月的時(shí)間里就發(fā)現(xiàn)了12個(gè)“超高能”伽馬射線源，預(yù)示著一個(gè)新的研究時(shí)代的到來(lái)，也向我們展現(xiàn)了一個(gè)充滿極端事件和新奇現(xiàn)象的“超高能宇宙”。

在這項(xiàng)研究中，蟹狀星云已經(jīng)成為焦點(diǎn)，因?yàn)檠芯咳藛T在蟹狀星云中發(fā)現(xiàn)了能量超過(guò)1拍電子伏的伽馬射線光子。當(dāng)時(shí)，他們認(rèn)為這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了“標(biāo)準(zhǔn)模型”，甚至挑戰(zhàn)了更加基本的電子加速理論，而在發(fā)表在《科學(xué)》上的論文中，他們繼續(xù)對(duì)此進(jìn)行了討論和分析。

同時(shí)，他們?cè)谔禊Z座恒星形成區(qū)也發(fā)現(xiàn)了能量超過(guò)1拍電子伏的伽馬射線光子。天鵝座恒星形成區(qū)是銀河系在北天區(qū)最亮的區(qū)域，擁有多個(gè)具有大量大質(zhì)量恒星的星團(tuán)。大質(zhì)量恒星的壽命只有百萬(wàn)年的量級(jí)，因此星團(tuán)內(nèi)部充滿大量恒星誕生和死亡的劇烈活動(dòng)，具有復(fù)雜的強(qiáng)激波環(huán)境，是理想的宇宙線加速場(chǎng)所，是宇宙中的粒子天體物理實(shí)驗(yàn)室。LHAASO的發(fā)現(xiàn)使得這個(gè)區(qū)域成為超高能宇宙線源的最佳候選者，也將是LHAASO以及其他相關(guān)的多波段探測(cè)未來(lái)重點(diǎn)關(guān)注的熱門區(qū)域。

LHAASO合作組在短期內(nèi)接連發(fā)布的重要研究成果證明了“火眼金睛”名副其實(shí)。在完全建成后，LHAASO預(yù)計(jì)每年可以記錄到1-2個(gè)來(lái)自蟹狀星云的拍電子伏光子。借助這樣一件研究利器，科學(xué)家將能夠深入探索極端天體現(xiàn)象及其相關(guān)的物理過(guò)程，并在極端條件下檢驗(yàn)基本物理規(guī)律。他們將由此更加深入地認(rèn)識(shí)超高能宇宙線起源，并有望破解宇宙線起源這個(gè)“世紀(jì)之謎”。