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高海拔宇宙线观测站测定标准烛光的超高能段亮度并发现拍电子伏伽马辐射挑战理论极限

2021-07-08 高能物理研究所
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  近日,国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站”(LHAASO)精确测量了高能天文学标准烛光的亮度,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。这个标准烛光就是由我国宋代的司天监发现并记录的“客星”经千年演化而形成的著名天体——蟹状星云。这次观测还记录到能量达1.1拍电子伏(拍=千万亿)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。

  该研究由新浦京www81707con高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成,相关结果于美国东部时间7月8日在《科学》(Science)上发表。

  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证认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。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。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大家看到的星云。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,历史上对其光谱已经进行了大量的观测研究,是非常明亮且稳定的高能辐射源,因此在多个波段它被作为标准烛光,即是测量其他天体辐射强度的标尺。

  LHAASO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,这为该能区标准烛光设定了亮度标准。

  在LHAASO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,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的电子加速器LEP(欧洲核子研究中心大型强子对撞机LHC的前身)产生的电子束能量高两万倍左右。因为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。根据LHAASO的测量结果推算,其加速效率竟达到理论极限的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”。文章对此进行了深入的理论分析和讨论。

  LHAASO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,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。采用这四种探测技术,LHAASO可全方位、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。此次研究成果充分体现了LHAASO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。LHAASO预计于2021年7月建成并投入科学运行,预期每年可以记录到1至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妙有望被揭开。

高海拔宇宙线观测站LHAASO

打印 责任编辑:任霄鹏

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