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【上观新闻】比最大电子加速器产生的能量高两万倍,“拉索”这一发现直逼理论加速极限
2021-07-09|文章来源:黄海华 |【
 

  前所未有的超高能区的精确测量   

   

  距离地球约6500光年的蟹状星云,是为数极少在射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段都有辐射的天体,是非常明亮且稳定的高能辐射源,因此它被作为标准烛光,即测量其他天体辐射强度的标尺。

  日前,国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”(简称拉索),精确测量了高能天文学标准烛光的亮度,记录到了能量达1.1拍电子伏(1拍=千万亿)的伽马光子,提供了2.3拍电子伏电子加速器存在的直接观测证据,这比人类在地球上建造的最大电子加速器LEP(欧洲核子研究中心的LHC前身)产生的电子束能量高两万倍左右。

  相关结果于北京时间7月9日在《科学》上发表,由中国科学院高能物理研究所牵头的“拉索”国际合作组完成。

  【比超新星爆震波的加速效率高约一千倍】

  如同日地距离是一个常用的天文单位,蟹状星云的标准烛光也是一个常用的天文单位。蟹状星云诞生于公元1054年7月4日的一次超新星爆发,当时中国、印度、阿拉伯和日本的天文学家都记录了这一天文现象。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,其中心有一颗以每秒钟30圈快速旋转的脉冲星。

  

  北欧光学望远镜拍摄的蟹状星云(Walter Nowotny 摄)

  “拉索”此次对蟹状星云进行了重新观测,记录到了能量达1.1拍电子伏(1拍=千万亿)的伽马光子,由此确定在仅为太阳系1/10左右(约5000倍日地距离)的星云核心区存在能力超强的电子加速器,提供了2.3拍电子伏电子加速器存在的直接观测证据,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。

  “就像给一个倾斜的杯子倒水,总是很难倒满,除非倒水的速度特别快。”高海拔宇宙线观测站项目首席科学家曹臻介绍,越高能的电子越容易在磁场中损失能量,蟹状星云内的粒子加速机制必须具有惊人效率才能克服这些电子的能量损失。据“拉索”的测量结果推算,这一加速机制比超新星爆震波的加速效率高约一千倍,挑战了高能天体物理中电子加速的“标准模型”。

  在“拉索”此前发现的12颗超高能伽马光源中,蟹状星云是两个具有拍电子伏光子发射能力的光源之一,同时也是唯一明确了辐射源的天体。

  “拉索”此次测量了蟹状星云辐射的最高能量端能谱,覆盖了从0.0005到1.1拍电子伏宽广的范围,不但确认了此范围内其他实验几十年的观测结果,还实现了前所未有的超高能区(0.3-1.1拍电子伏)的精确测量,这为该能区的标准烛光设定了亮度标准。

  【“拉索”将于2021年7月全部建成】

  “拉索”是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施,位于四川省稻城县海拔4410米的海子山,占地面积约1.3平方公里。它是由5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器组成的一平方公里地面簇射粒子阵列、78000平方米水切伦科夫探测器阵列以及18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。

  

  地面簇射粒子阵列

  “拉索”采用上述四种探测技术,可以全方位、多变量、立体地测量宇宙线或伽马射线在大气层中的反应,并重建它们的基本信息。这次报道的成果充分体现了“拉索”独特的多种探测手段相互交叉检验的能力,确保测量结果的准确性和可靠性。

  “拉索”将于2021年7月全部建成并投入科学运行,预期每年可以记录到1-2个来自蟹状星云的拍电子伏光子。未来几年,更多关于拍电子伏粒子加速的奥秘将被揭开。

  

  雪中的高海拔宇宙线观测站

(源自上观新闻 2021年7月9日版 原地址:https://web.shobserver.com/staticsg/res/html/web/newsDetail.html?id=384146


 
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