或將改寫教科書！蟹狀星雲內竟藏有超高能粒子加速器，挑戰電子加速“標準模型”

公元1054年，中國古代天文學家記載下了蟹狀星雲誕生的超新星爆發；跨越近千年後，由中國科學家牽頭的國際合作組在世界上率先對蟹狀星雲的超高能區進行了精準測量，為超高能伽馬光源測定了亮度標準。

▲古籍《文獻通考》中關於1054年客星的記載

今天凌晨，國際著名學術期刊《科學》雜誌線上發表了由中國科學院高能物理研究所牽頭的高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）國際合作組獲得的這一成果。在精確測量的過程中，他們發現了來自蟹狀星雲的1。1PeV（拍電子伏特）超高能光子。經過推算，一個更大的秘密正浮出水面：蟹狀星雲內部的粒子加速器效率竟比超新星爆發產生的爆震波高出1000倍！該發現對高能天體物理中電子加速的“標準模型”提出了挑戰。

為“標準燭光”超高能區設定亮度標準

蟹狀星雲距離地球約6500光年，誕生於公元1054年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，當時中國、印度、阿拉伯和日本天文學家都記錄下了這一天象。

▲蟹狀星雲（來源：NASA）

蟹狀星雲的中心是一顆以每秒鐘30圈快速旋轉的脈衝星，其核心區域大小約為1/10個太陽系。作為一個極為罕見的在射電、紅外、光學、紫外、X射線和伽馬射線波段都有輻射的天體，蟹狀星雲是非常明亮且穩定的高能輻射源，因此被天文學家用作多個波段的“標準燭光”，即測量其它天體輻射強度的一杆標尺。

作為全球最靈敏的超高能伽馬射線探測器，LHAASO對蟹狀星雲輻射進行了一次精確測量，覆蓋了從0。0005到1。1PeV的寬廣能量範圍，其中從0。3至1。1PeV的超高能區屬於從未有人涉足的測量“無人區”。

LHAASO首席科學家、中科院高能物理研究所研究員曹臻介紹，過去30年，天文學家對蟹狀星雲輻射進行了無數次精確測量，但超高能區卻只有LHAASO有能力測，“我們的測量再次確認了之前的測量都是精準的，而在超高能區獲得的精確結果，將作為‘標準燭光’的新標準。接下來，我們將用這個標準，對另一個拍電子伏能級伽馬光源天鵝座進行觀測”。

發現新光子挑戰電子加速“標準模型”

為何這次對蟹狀星雲輻射的能量範圍覆蓋至1。1PeV？“因為我們成功捕獲了來自蟹狀星雲的1。1PeV伽馬光子，由此確定在蟹狀星雲核心區記憶體在能力超強的電子加速器。”曹臻欣喜地說。

自2020年開始觀測以來，位於四川稻城海拔4410米海子山上的LHAASO，已在茫茫宇宙中發現了12個超高能伽馬光源，而蟹狀星雲和天鵝座是其中具有PeV光子發射能力的天體。在今年5月發表在《自然》的論文中，LHAASO團隊宣佈發現了來自天鵝座的1。4PeV伽馬光子。

▲LHAASO航拍圖

“在加速器中，只有帶電粒子，即電子或質子才能被加速。當它們被加速到很高能量後，就極易與周圍的物質或光場中的粒子或光子碰撞。就像兩顆檯球相互碰撞一樣，當高能電子撞上一個哪怕能量很低的光子，也會把自己約一半的能量轉移給被撞的光子。”曹臻說，1。1PeV伽馬光子的發現，意味著存在於蟹狀星雲中的拍電子伏特加速器至少具有2。3PeV的能量。

據LHAASO的測量結果推算，在大約僅為太陽系1/10大小（約5000倍日地距離）的星雲核心區記憶體在能力超強的電子加速器，加速能量達到了人工加速器（歐洲核子研究中心大型正負電子對撞機LEP）產生的電子束能量的兩萬倍左右，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。

這會改寫高能物理教科書嗎？本月底，佔地1。3平方千米的LHAASO將全部建成並投入科學執行。曹臻說，預計LHAASO每年都會發現一兩個來自蟹狀星雲的拍電子伏特光子，“隨著觀測到的超高能粒子數量越來越多，未來幾年，更多關於拍電子伏特粒子加速的奧秘將被揭開”。

作者：許琦敏

編輯：許琦敏

圖片來源：除註明外，均中科院高能所提供

*文匯獨家稿件，轉載請註明出處。