高山上的“火眼金睛”

南方周末特約撰稿　鞠強

高海拔宇宙線觀測站全景航拍。中科院高能所　?圖

★中國科學家通過精確的測量為超高能的伽馬光源設立了新標準，并由超高能量的伽馬光子推測宇宙中存在強大的電子加速器。該成果來自建立在四川高山上的宇宙線觀測站。

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暗流洶涌，時刻都在發生著我們肉眼不可見的能量極高的事件。其中很多事件產生的高能粒子來到地球，這些粒子以電離的原子核為主，還包括少量的正負電子和伽馬射線，因為來自宇宙而被稱作宇宙線。宇宙線攜帶著很多關于宇宙的信息，因此成為科學家研究的重點。由中國科學院高能物理研究所牽頭建設的國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站”（Large High Altitude Air Shower Observatory，LHAASO）的科學目標就是探索高能宇宙線起源以及相關的宇宙演化、高能天體演化和暗物質的研究。

美國東部時間2021年7月8日，LHAASO合作組在《科學》（Sci-ence）上發表了最新研究成果，宣布他們精確測量了高能天文學標準燭光的亮度，為超高能伽馬光源測定了新標準；同時還觀測到能量達到1.1拍電子伏（PeV，1拍=1千萬億）的伽馬光子，證明了宇宙中存在能力超強的電子加速器，并對現有理論提出了挑戰。

天關客星

高能天文學標準燭光指的是測量其他天體輻射強度的標尺。標準燭光可以看作是宇宙中已知亮度的“燈泡”，科學家可以以此為參照測量其他天體的亮度進而推測這些天體的距離。這次LHAASO合作組測定的作為標準燭光的天體是著名的蟹狀星云（crab nebula）。

人類對蟹狀星云及其前身的觀測已經延續近千年。公元1054年，即北宋至和元年，發生了一次超新星爆發事件，我國古代天文學家觀察到了這個事件并進行了記錄，相關記載可見于《宋會要》等宋代文獻。我國古代將突然出現的星星稱作“客星”，1054年的這顆超新星出現在天關星（金牛座ζ）附近，故名“天關客星”。在現代天文學里，這次超新星爆發編號為SN 1054。

這次超新星爆發的遺跡經過近千年的演化就是我們今天看到的蟹狀星云。1731年，英國外科醫生和天文學家約翰·貝維斯（John Bevis）首次發現了蟹狀星云。1758年，法國天文學家查爾斯·梅西耶（Charles Messier）在搜尋彗星時又獨立發現了蟹狀星云。1774年，他在編制著名的梅西耶星表時把蟹狀星云排在第一個，編號為M1。1844年，英國天文學家威廉·羅斯（William Par-sonsRosse）對M1進行觀測，由于他使用的望遠鏡分辨率不高，這個星云看起來就像是一只螃蟹，因此他把這個星云命名為蟹狀星云。

1921年，天文學家約翰·鄧肯（John Duncan）通過比較不同的照片發現了蟹狀星云膨脹的跡象。同年，另一位天文學家克努特·倫德馬克（Knut Lundmark）注意到蟹狀星云與中國北宋時期記錄的“客星”位置相近。1928年，天文學家埃德溫·哈勃（Edwin Hubble）認為蟹狀星云就是1054年超新星爆發后留下的遺跡。這樣，蟹狀星云成為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，天文學家在蟹狀星云的中心發現了一顆以每秒鐘30.2圈快速旋轉的脈沖星，這是首顆被確認為歷史上超新星爆發遺跡的天體。這顆脈沖星高速旋轉的超強磁場將表面磁層中的大量正負電子持續不斷地吹向四周，形成一股速度接近光速的強勁星風。星風中的電子與外部介質碰撞后會被進一步加速至更高能量并產生我們看到的星云。

蟹狀星云是為數極少的在射電、紅外、光學、紫外、X射線和伽馬射線波段都有輻射的天體，因此具有重要的研究價值。科學家對其光譜已經進行了大量的觀測研究，光譜精確測量跨越22個量級。蟹狀星云是非常明亮且穩定的高能輻射源，因此在多個波段上它被作為標準燭光。

火眼金睛

這次測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個電磁粒子探測器和1188個繆子探測器組成的1平方千米地面簇射粒子陣列（簡稱KM2A）、78000平方米的含有3120個探測器單元的水切倫科夫探測器陣列以及18臺廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的復合陣列。LHAASO采用這四種探測技術，可以全方位、多變量、立體地測量宇宙線或伽馬射線在大氣層中的反應，并重建它們的基本信息。

2017年，LHAASO主體建設工程破土動工。此后，LAHHSO遵循“邊建設邊運行”的安排，1/2規模KM2A（由2365臺電磁粒子探測器和578個繆子探測器組成）自2019年12月底正式運行。2020年12月，3/4規模KM2A實現穩定運行與采數。2021年7月1日，電磁粒子探測器陣列安裝完成，成為繼繆子探測器全陣列建成之后的又一標志性的事件。LAHHSO預計在2021年7月底之前實現KM2A全陣列的正常運行和物理采數。

近年來，我國在基礎科學研究設備方面取得了長足進展，世界上口徑最大的射電望遠鏡、有“天眼”之稱的500米口徑球面射電望遠鏡（FAST）已經建成并投入使用，硬X射線調制望遠鏡（HXMT）“慧眼”發射升空后獲得了一系列重要的觀測結果。探測宇宙高能粒子的強大能力使得LAHH-SO成為高山上的“火眼金睛”。

伽馬射線是一種波長短、能量高的電磁波。在此之前，包括中國在內的世界上多個國家的探測器都測量過蟹狀星云的伽馬射線輻射。但是受制于探測能力的限制，此前并沒有對0.3拍電子伏以上能量段的精確測量。LHAASO合作組這次在論文中公布了他們測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，不但確認了此范圍內其他實驗幾十年的觀測結果，還實現了前所未有的超高能區（0.3-1.1拍電子伏）的精確測量，這為該能區標準燭光設定了亮度標準。

LHAASO還測量到能量達1.1拍電子伏的伽馬光子，科學家由此確定在大約僅為太陽系1/10大小（約5000倍日地距離）的蟹狀星云核心區內存在能力超強的電子加速器，加速能力可以達到2.3拍電子伏，這個加速能量達到了世界上最大的電子加速器——歐洲核子研究中心大型正負電子對撞機（LEP）產生的電子束的能量的兩萬倍左右。

科學家此前利用簡單的電子加速模型就能對蟹狀星云的光譜做出精確解釋，這被稱作“標準模型”，但是這次的研究成果卻對“標準模型”提出了挑戰。因為越高能的電子越容易在磁場中損失能量，蟹狀星云內的粒子加速機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LHAASO的測量結果推算，發現其粒子加速效率要比超新星爆發產生的爆震波的加速效率高約一千倍，已經逼近了經典電動力學和磁流體力學的理論極限。“標準模型”在能量較低的波段與數據吻合得很好，但是在LHAASO觀測到的超高能波段，已經明顯偏離了“標準模型”。研究人員需要繼續積累更多的觀測數據，從而對現有理論進行修正并進一步加深對宇宙線的認識。

捷報頻傳

雖然還未正式建成，但是LHAASO在此之前已經取得了重要的觀測成果。2021年5月19日，LHAASO合作組在《自然》（Nature）上發表了一篇論文，宣布在銀河系內發現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。這是人類觀測到的最高能量光子，開啟了“超高能伽馬天文學”的新時代。這篇論文的成果是基于2019年12月底正式運行的1/2規模探測裝置在2020年內11個月的觀測結果。

LAHHSO合作組在《自然》上發表的這項研究成果在宇宙線研究領域具有里程碑的意義。在這項研究的觀測中，在LHAASO能夠有效觀測到的伽馬射線源中，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，說明輻射這些伽馬射線的父輩粒子能量超過了1　拍電子伏。這就揭示了銀河系內普遍存在能夠將粒子能量加速到超過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子對撞機）只能將粒子加速到0.01拍電子伏，也就是說這些宇宙加速器的加速能力是大型強子對撞機的100倍以上。

LHAASO的發現開啟了“超高能伽馬天文學”新時代。1989年，美國亞利桑那州惠普爾天文臺的實驗組成功發現了首個伽馬輻射能量超過0.1太電子伏（TeV，1太=1萬億）的天體，標志著“甚高能伽馬天文學”時代的開啟。在隨后的30年里，科學家陸續發現了超過200個“甚高能”伽馬射線源。2019年，人類探測到首個具有“超高能”伽馬射線輻射的天體。LHAASO合作組在這篇論文中報告了他們在11個月的時間里就發現了12個“超高能”伽馬射線源，預示著一個新的研究時代的到來，也向我們展現了一個充滿極端事件和新奇現象的“超高能宇宙”。

在這項研究中，蟹狀星云已經成為焦點，因為研究人員在蟹狀星云中發現了能量超過1拍電子伏的伽馬射線光子。當時，他們認為這一發現挑戰了“標準模型”，甚至挑戰了更加基本的電子加速理論，而在發表在《科學》上的論文中，他們繼續對此進行了討論和分析。

同時，他們在天鵝座恒星形成區也發現了能量超過1拍電子伏的伽馬射線光子。天鵝座恒星形成區是銀河系在北天區最亮的區域，擁有多個具有大量大質量恒星的星團。大質量恒星的壽命只有百萬年的量級，因此星團內部充滿大量恒星誕生和死亡的劇烈活動，具有復雜的強激波環境，是理想的宇宙線加速場所，是宇宙中的粒子天體物理實驗室。LHAASO的發現使得這個區域成為超高能宇宙線源的最佳候選者，也將是LHAASO以及其他相關的多波段探測未來重點關注的熱門區域。

LHAASO合作組在短期內接連發布的重要研究成果證明了“火眼金睛”名副其實。在完全建成后，LHAASO預計每年可以記錄到1-2個來自蟹狀星云的拍電子伏光子。借助這樣一件研究利器，科學家將能夠深入探索極端天體現象及其相關的物理過程，并在極端條件下檢驗基本物理規律。他們將由此更加深入地認識超高能宇宙線起源，并有望破解宇宙線起源這個“世紀之謎”。