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我国科学家发现宇宙粒子加速器能量直逼经典理论极限

2021-07-14 11:08     来源:中科院     高海拔宇宙线观测站 伽马射线宇宙射线粒子加速器

标准烛光”内藏超高能光子,挑战电子加速“标准模型”

公元1054年,中国古代天文学家记载下了蟹状星云诞生的超新星爆发;跨越近千年后,由中国科学家牵头的国际合作组在世界上率先对蟹状星云的超高能区进行了精准测量,为超高能伽马光源测定了亮度标准。

近日,国际著名学术期刊《科学》杂志在线发表了由中国科学院高能物理研究所牵头的高海拔宇宙线观测站(LHAASO)国际合作组获得的这一成果。在精确测量的过程中,他们发现了来自蟹状星云的1.1PeV(拍电子伏特)超高能光子。经过推算,一个更大的秘密正浮出水面:蟹状星云内部的粒子加速器效率竟比超新星爆发产生的爆震波高出1000倍!该发现对高能天体物理中电子加速的“标准模型”提出了挑战。

蟹状星云距离地球约6500光年,诞生于公元1054年的一次超级明亮的超新星爆发,这是现代天文学中第一个被认证的具有清晰历史观测记录的超新星遗迹。

蟹状星云的中心是一颗以每秒钟30圈快速旋转的脉冲星,其核心区域大小约为1/10个太阳系。作为一个极为罕见的在射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段都有辐射的天体,蟹状星云是非常明亮且稳定的高能辐射源,因此被天文学家用作多个波段的“标准烛光”,即测量其它天体辐射强度的一杆标尺。

作为全球最灵敏的超高能伽马射线探测器,LHAASO对蟹状星云辐射进行了一次精确测量,覆盖了从0.0005到1.1PeV的宽广能量范围,其中从0.3至1.1PeV的超高能区属于从未有人涉足的测量“无人区”。

LHAASO首席科学家、中科院高能物理研究所研究员曹臻介绍,过去30年,天文学家对蟹状星云辐射进行了无数次精确测量,但超高能区却只有LHAASO有能力测,“我们的测量再次确认了之前的测量都是精准的,而在超高能区获得的精确结果,将作为‘标准烛光’的新标准。接下来,我们将用这个标准,对另一个拍电子伏能级伽马光源天鹅座进行观测”。

为何这次对蟹状星云辐射的能量范围覆盖至1.1PeV?“因为我们成功捕获了来自蟹状星云的1.1PeV伽马光子,由此确定在蟹状星云核心区内存在能力超强的电子加速器。”曹臻欣喜地说。

“在加速器中,只有带电粒子,即电子或质子才能被加速。当它们被加速到很高能量后,就极易与周围的物质或光场中的粒子或光子碰撞。就像两颗台球相互碰撞一样,当高能电子撞上一个哪怕能量很低的光子,也会把自己约一半的能量转移给被撞的光子。”曹臻说,1.1PeV伽马光子的发现,意味着存在于蟹状星云中的拍电子伏特加速器至少具有2.3PeV的能量。

据LHAASO的测量结果推算,在大约仅为太阳系1/10大小(约5000倍日地距离)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(欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机LEP)产生的电子束能量的两万倍左右,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。

这会改写高能物理教科书吗?曹臻说,预计LHAASO每年都会发现一两个来自蟹状星云的拍电子伏特光子,“随着观测到的超高能粒子数量越来越多,未来几年,更多关于拍电子伏特粒子加速的奥秘将被揭开”。

(原载于《文汇报》 2021-07-14 04版)

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