冲击理论极限！来自中国的探测器，挑战天文学世纪之谜

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　　报人刘亚东A
　　来源：环球科学
　　LHAASO实验装置（图片来源：LHAASO合作组）
　　公元1054年，北宋的天文学家观测到了一枚前所未见的明亮天体。此后的天文观测证实，这是一次超新星爆发事件，而这场璀璨烟火留下的遗迹——蟹状星云——也成为人类认识最为全面的天体之一。
　　就在近1000年后的今天，来自中国的科学装置再次让我们以全新的视角认识蟹状星云。在今天凌晨发表于
　　《科学》的一篇论文中，由中科院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组捕捉到来自蟹状星云的超高能伽马光子信号，并且向这一领域的＂标准模型＂发起挑战。
　　公元1054年7月的一天，北宋的司天监（掌管观察天文的官员）杨惟德同往常一样，正在观察夜空中的天象。就在天亮之前，他突然注意到一个反常的现象：东方的天关星附近出现了极为明亮的光芒。待太阳出现，这颗星依然肉眼可见。杨惟德立即记录下这样的天象。经过数日的观测，他判断这颗星应该是一颗＂客星＂，也就是之前从未出现过的天体。两个月后，杨惟德写下了这样的文字：＂伏睹客星出现，其星上微有光彩，黄色。＂
　　此后，这颗亮星受到了全世界天文学家的持续关注，而现代的天文学观测终于确认了它的身份：杨惟德记录下的是一次6500光年外的超新星爆发，而这个恒星死亡过程的产物就是蟹状星云（Crab Nebula）——首个具有清晰观测记录的超新星遗迹。从近千年前杨惟德发现这枚天体到现在，人类已经从多个不同的波段对蟹状星云进行了详尽的观测。蟹状星云还被用作＂标准烛光＂，用于测定其他天体的辐射强度。而现在，中国的＂高海拔宇宙线观测站＂（LHAASO）通过前所未有的能级让我们重新认识这枚著名的天体。
　　捕捉＂次级粒子＂
　　要理解LHAASO是如何工作的，就要从其观测目标宇宙线（cosmic ray）说起。
　　宇宙线最初被发现，要追溯到一个世纪前的热气球飞行。当时，为了检验实验室中神秘的背景电离辐射是否来自岩石，奥地利物理学家维克托·赫斯（Victor Hess）在1911-1912年间进行了10次热气球飞行。按照设想，如果信号的确来自岩石中的放射性元素，那么离地表越远，赫斯在仪器中读出的大气电导率应该越低。但随着热气球不断升高，赫斯发现示数虽然先是下降了，但随后却随着海拔上升而快速增加。这时他意识到，一定还有来自地球之外的辐射源。
　　图片中间者为维克托·赫斯（图片来源：public domain）
　　首先受到怀疑的自然是太阳，但到了次年4月7日，一场日食终结了这种可能性。如果这些辐射来自太阳，那么在日食期间，受到月球的遮挡，抵达地球的辐射必然会减少。但赫斯看到的，却是完全不同的情况——日食期间的示数没有明显变化。因此，电离辐射的真正来源是宇宙更深处。就这样，赫斯在大气层中找到了来自宇宙的高能粒子：宇宙线。
　　宇宙线的发现不仅为赫斯赢得了诺奖，也为人类理解宇宙开启了全新的窗口。这些带电粒子（主要包括质子和其他原子核）以接近光速在宇宙中穿行。其中，能量超过1015电子伏（即1拍电子伏，1 PeV）的超高能宇宙线格外受到关注。对于天文学家来说，这些超高能宇宙线的来源可以说是一个世纪之谜。要知道，在地球上，即使是最强的对撞机产生的能量，也不到这些粒子的百分之一。在宇宙中，是什么样激烈的天体事件，让那些带电粒子加速至拥有PeV级的能量？
　　物理学家将能驱动粒子获得如此高能量的天体称作＂拍电子伏宇宙线加速器＂（PeVatron）。不过，要找到这些＂加速器＂却绝非易事。在看似空荡的星际空间里，磁场无处不在。当带电的宇宙线粒子从中穿过，磁场自然会偏转宇宙线的飞行方向。因此，从观测到的宇宙线来向中，我们根本无从得知它真正的起点。
　　好在，事情还有转机。宇宙线在发源地附近一部分会与星际气体作用产生伽马光子。与宇宙线不同的是，伽马射线的运动方向不受磁场影响——穿越磁场时依然呈直线运动。因此，探测这些能量约为宇宙线1/10的＂次级粒子＂，就成为我们在地球上追溯宇宙线来源的工具。接下来的挑战，就是去寻找那些能量在0.1 PeV以上的＂超高能＂伽马光子。
　　LHAASO登场
　　在四川省稻城县海拔4410米的海子山上，一只通往宇宙高能区域的巨型＂眼睛＂，开始为我们揭开宇宙中那些超高能粒子的秘密。作为目前全世界最灵敏的超高能伽马射线探测器，LHAASO可以精确测量伽马射线从低于1 TeV（1012电子伏）到超过1 PeV的能谱。其中，对超高能伽马光子的探测能力，是此前的主流探测装置难以企及的。
　　LHAASO由3个探测系统组成，分别是包含5195个电磁粒子探测器和1188个缪子探测器的一平方公里地面簇射粒子阵列（简称KM2A）、78000平方米水切伦科夫探测器，以及18台广角切伦科夫望远镜。这些系统交错排布，组成的复合阵列使得LHAASO能够全方位地观测抵达地球的伽马光子。
　　观测基地航拍图（图片来源：LHAASO合作组）
　　LHAASO于2019年开始科学观测。值得一提的是，LHAASO直到今年7月下旬才能完全建成。（例如，5195个电磁粒子探测器组成的全阵列一周前才完全建成，此前投入观测的探测器数量只有完全体的1/2~3/4。）但即便是未达完全体的LHAASO，也已经为我们带来了莫大的惊喜。
　　就在今年5月，《自然》杂志的一篇论文报道了通过LHAASO取得的重要发现。在2020年的观测过程中，1/2规模的KM2A在银河系内发现了12个＂超高能＂伽马射线源，其中最高能的伽马光子达到创纪录的1.4 PeV。这些信号源代表的天体，就是潜在的拍电子伏宇宙线加速器。这项发现标志着超高能伽马天文学的开启。短短两个月后，LHAASO的成果又登上了《科学》杂志。
　　挑战＂标准模型＂
　　在两个月前的论文中，LHAASO观测到的12个超高能伽马射线源中，就包含了一个来自蟹状星云的信号。正如文章开头所言，蟹状星云可以说是人类研究最为透彻的天体之一。在1054年观测到那次超新星爆发之后，一颗新生的脉冲星在快速旋转的过程中向外抛射正负电子风；这些电子风和周围的星云物质作用，让粒子迅速拥有了极高的能量。
　　蟹状星云（图片来源：NASA, ESA, NRAO, AUI, NSF and G. Dubner）
　　从射电、红外、光学、紫外、X射线到伽马射线，天文学家们已经在各种不同波段上研究了其光谱。不过，在关于蟹状星云的图景中，仍然存在缺失的一环，那就是超高能的伽马射线。在之前对蟹状星云的观测中，最高能光谱为0.3 PeV。而LHAASO的出现，让我们得以通过全新的视角观测蟹状星云。
　　自2019年开启对蟹状星云的观测以来，LHAASO已经捕捉到了近百次能级超过0.1 PeV的伽马光子信号。其中，两个PeV级的超高能信号尤其受到关注：去年1月，LHAASO就捕捉到了一个0.88 PeV的信号，这正是5月《自然》论文的12个超高能信号之一；此后LHAASO更进一步，在今年1月探测到能量高达1.1 PeV的伽马光子。这不仅是来自蟹状星云的最高能光子、为证明蟹状星云是潜在的拍电子伏宇宙线加速器提供了更坚实的证据，同时还向这一领域的＂标准模型＂发起了挑战。
　　在此之前，天文学家已经在22个量级上精确测定了蟹状星云的光谱，得到了一个比较简单的结构。对于这个结构，物理学家可以用简单的电子加速模型，也就是高能天体领域的＂标准模型＂加以解释。但是，1.1 PeV光子的出现向这个理论的极限发起了挑战。
　　最新这篇《科学》论文的第一作者、中科院高能物理研究所的研究员曹臻介绍道：＂如果这个光子的确源自超高能电子的撞击，那么这个电子的能量会高达2.3 PeV。在蟹状星云的环境中，这就要求加速过程具有超乎想象的高效率——甚至逼近经典电动力学和磁流体力学的理论极限。＂如果今后的观测找到能量更高的伽马光子，那么＂标准模型＂就可能面临严重的危机。
　　＂此外，LHAASO观测到的超高能波段的光谱，已经比较明显地表现出了偏离‘标准模型’的特征。＂曹臻说。在较低的能级上，对蟹状星云的观测数据都精确符合理论模型。但是，超高能的观测结果似乎与模型存在分歧。当然曹臻也表示，目前LHAASO获取的超高能信号数量还太少，＂如果将来大量的观测结果证实了这个偏离情况，那么‘标准模型’就需要修正了。这或许可以解决前面的第一个挑战，但也可能就此为宇宙线的起源提供证据，带来更大的突破。＂
　　接下来，即将进入完全体的LHAASO将继续对来自蟹状星云等天体的超高能伽马光子进行多年观测。按照设计目标，LHAASO每年应该能至少探测到1~2个来自蟹状星云的超高能伽马光子，因此，研究团队希望通过未来数年的观测，证实现有的发现，并且揭开更多关于超高能粒子和奥秘。
　　原始论文：
　　PeV gamma-ray emission from the Crab Nebula
　　https://science.sciencemag.org/content/early/2021/07/07/science.abg5137
　　参考材料：
　　https://www.nature.com/articles/s41586-021-03498-z
　　https://www.scientificamerican.com/article/highest-energy-particles-yet-arrive-from-ancient-crab-nebula/
　　http://www.ihep.cas.cn/lhaaso/zyxw/202107/t20210709_6129533.html
　　https://timeline.web.cern.ch/victor-hess-discovers-cosmic-rays-0
　　《中国天文史4000年》