冲击理论极限!来自中国的探测器,挑战天文学“世纪之谜”

作者: 吴非

来源: 环球科学

发布日期: 2021-07-09

中国的LHAASO实验装置捕捉到来自蟹状星云的超高能伽马光子信号,挑战了现有的天文学“标准模型”,为理解宇宙线和高能粒子的起源提供了新的视角。

公元1054年,北宋的天文学家观测到了一枚前所未见的明亮天体。此后的天文观测证实,这是一次超新星爆发事件,而这场璀璨烟火留下的遗迹——蟹状星云——也成为人类认识最为全面的天体之一。就在近1000年后的今天,来自中国的科学装置再次让我们以全新的视角认识蟹状星云。

在今天凌晨发表于《科学》的一篇论文中,由中科院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组捕捉到来自蟹状星云的超高能伽马光子信号,并且向这一领域的“标准模型”发起挑战。

公元1054年7月的一天,北宋的司天监(掌管观察天文的官员)杨惟德同往常一样,正在观察夜空中的天象。就在天亮之前,他突然注意到一个反常的现象:东方的天关星附近出现了极为明亮的光芒。待太阳出现,这颗星依然肉眼可见。

杨惟德立即记录下这样的天象。经过数日的观测,他判断这颗星应该是一颗“客星”,也就是之前从未出现过的天体。两个月后,杨惟德写下了这样的文字:“伏睹客星出现,其星上微有光彩,黄色。”此后,这颗亮星受到了全世界天文学家的持续关注,而现代的天文学观测终于确认了它的身份:杨惟德记录下的是一次6500光年外的超新星爆发,而这个恒星死亡过程的产物就是蟹状星云。

蟹状星云(Crab Nebula)——首个具有清晰观测记录的超新星遗迹。从近千年前杨惟德发现这枚天体到现在,人类已经从多个不同的波段对蟹状星云进行了详尽的观测。蟹状星云还被用作“标准烛光”,用于测定其他天体的辐射强度。而现在,中国的“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO)通过前所未有的能级让我们重新认识这枚著名的天体。

要理解LHAASO是如何工作的,就要从其观测目标宇宙线(cosmic ray)说起。宇宙线最初被发现,要追溯到一个世纪前的热气球飞行。当时,为了检验实验室中神秘的背景电离辐射是否来自岩石,奥地利物理学家维克托·赫斯(Victor Hess)在1911-1912年间进行了10次热气球飞行。按照设想,如果信号的确来自岩石中的放射性元素,那么离地表越远,赫斯在仪器中读出的大气电导率应该越低。

但随着热气球不断升高,赫斯发现示数虽然先是下降了,但随后却随着海拔上升而快速增加。这时他意识到,一定还有来自地球之外的辐射源。

首先受到怀疑的自然是太阳,但到了次年4月7日,一场日食终结了这种可能性。如果这些辐射来自太阳,那么在日食期间,受到月球的遮挡,抵达地球的辐射必然会减少。但赫斯看到的,却是完全不同的情况——日食期间的示数没有明显变化。因此,电离辐射的真正来源是宇宙更深处。就这样,赫斯在大气层中找到了来自宇宙的高能粒子:宇宙线。

宇宙线的发现不仅为赫斯赢得了诺奖,也为人类理解宇宙开启了全新的窗口。这些带电粒子(主要包括质子和其他原子核)以接近光速在宇宙中穿行。其中,能量超过1015电子伏(即1拍电子伏,1 PeV)的超高能宇宙线格外受到关注。对于天文学家来说,这些超高能宇宙线的来源可以说是一个世纪之谜。要知道,在地球上,即使是...(此处省略部分内容以满足字数要求)

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