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【科技日报】测量宋朝记录的一颗“星”,“拉索”新发现挑战理论极限
2021-07-09|文章来源:陆成宽 |【
 

  1054年,宋朝的天空上出现了一颗不一样的星。这颗星在夜空闪耀23天,被当时的司天监以“天关客星”的名字记录在案。

  967年后,位于四川稻城的大科学工程高海拔宇宙线观测站“拉索”(LHAASO)精确测量了一个高能天文学标准烛光的亮度。科学家们确认,这个标准烛光就是由“天关客星”经演化形成的著名天体——蟹状星云。新测量标准烛光的亮度覆盖3.5个量级的能量范围,为超高能伽马光源测定了新标准。

   

  高海拔宇宙线观测站“拉索”。中科院高能所供图

  同时,“拉索”还记录到能量达1.1拍电子伏(千万亿电子伏特)的伽马光子,由此确定在大约仅为太阳系1/10大小的(约5000倍日地距离)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产生的电子束的能量两万倍左右,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。相关研究成果7月9日在线发表于《科学》杂志。

  蟹状星云距离地球约6500光年,诞生于一次超新星爆发,我国宋朝时期(1054年)观测到了这次事件,这是现代天文学中第一个被证认的具有清晰历史观测记录的超新星遗迹。

  该遗迹中心有一颗以每秒钟30圈快速旋转的脉冲星。“高速旋转的超强磁场将脉冲星表面磁层中的大量正负电子持续不断地吹向四周,形成一股速度近乎光速的强劲星风。”“拉索”首席科学家、中国科学院高能物理研究所研究员曹臻介绍,星风中的电子与外部介质碰撞后会被进一步加速至更高能量并产生我们看到的星云。

  蟹状星云是为数极少的在射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段都有辐射的天体,是非常明亮且稳定的高能辐射源,历史上天文学家对其光谱已经进行了大量的观测研究,因此在多个波段它被作为标准烛光,也就是测量其它天体辐射强度的标尺。

  “‘拉索’测量了蟹状星云辐射的最高能量端能谱,覆盖范围从0.0005拍电子伏到1.1拍电子伏,不仅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0.3-1.1拍电子伏超高能区的精确测量,这为该能区标准烛光设定了亮度标准。”曹臻说。

   

  蟹状星云(资料图)。图片来源:NASA

  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。

  而此次测到1.1拍电子伏光子,通过反推,科学家发现其电子加速器的原初电子能量可达2.3拍电子伏,比人类在地球上建造的最大的电子加速器LEP产生的电子束的能量高两万倍左右,为存在2.3拍电子伏电子加速器提供了直接观测证据。

  “由于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。”曹臻说,据“拉索”的测量结果推算,其加速效率可以达到理论极限的15%,比超新星爆发产生的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”。

  曹臻表示,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,未来几年内,更多关于拍电子伏粒子加速的奥秘将被揭开。

  相关链接

中国科大助力拉索精确测量高能“标准烛光”亮度科技日报记者 吴长锋

 

  由中国等7个国家、32个单位共同合作参与的拉索,位于四川省稻城县海子山,是以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施,由地面簇射粒子阵列(KM2A)、水切伦科夫探测器阵列(WCDA)以及18台广角切伦科夫望远镜交错排布组成的复合阵列。

  作为拉索核心探测器,WCDA和KM2A在蟹状星云辐射的伽马射线能谱测量中发挥了关键作用。其中,WCDA和KM2A大尺寸光敏探头研制及WCDA大尺寸光敏探头电子学研制工作,由中国科学技术大学核探测与核电子学国家重点实验室相关研究团队承担。

  大尺寸光敏探头是WCDA和KM2A缪子探测器的“视网膜”。核探测与核电子学国家重点实验室闪烁探测器团队分别针对WCDA和KM2A缪子探测器的实验要求,完成大尺寸光敏探头中光电倍增管的选型和大动态范围基座电路设计,取得了核心技术突破,研制出满足实验要求的大尺寸光敏探头。WCDA的动态范围达到3个数量级,而KM2A缪子探测器的动态范围更是达到5.5个数量级。

  缪子探测器大尺寸光敏探头。中国科大供图

  在WCDA大尺寸光敏探头读出电子学方面,该实验室安琪、赵雷、曹喆团队成功完成全部读出电子学系统的研制和工程实施,实现多项重大技术突破。在工程实施的同时,团队针对WCDA采用国产新型20英寸微通道板型光电倍增管新方案,成功实现千倍量级大动态范围前端读出专用集成电路芯片的研制和优化设计,并正式用于拉索工程中,这也是我国在大型宇宙线物理实验中首批使用的自主研制专用集成电路芯片。

  WCDA大尺寸光敏探头读出电子学。中国科大供图

  此外,该校天文学系杨睿智团队还参与了KM2A数据分析和唯象解释工作。

(源自科技日报2021年7月9日版 原地址:https://mp.weixin.qq.com/s/Xn2Ir9SPtnMJNJ1N8XAnSw


 
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