公元1054年7月4日，在日出前不久，中国宋朝的天文学家发现了一颗未知的星星照亮了东方的天空。“它像金星一样明亮，四面八方都有尖光，呈红白相间，”他们在递交给皇帝的文件中写道。在近一个月的时间里，肉眼都能看到这一光芒，它是由6500光年之外的金牛座中一颗恒星的壮观死亡引起的爆炸造成的。它的遗迹今天被称为蟹状星云，是天空中最美丽、研究最深入的天体之一。
科学家们早就知道蟹状星云是一个非常高能的天体物理物体，它会发出从无线电波到伽马射线的各种辐射。但最近，科学家发现它的能量比他们想象的还要大。利用位于青藏高原东部边缘的一组最先进的探测器，一个团队在本周的《科学》杂志上报告说，他们已经从著名的超新星遗迹中探测到了能量超过一千万亿电子伏(1 PeV)的光粒子，这表明它的能量是如此之大，以至于它对经典物理理论提出了潜在的挑战。
宇宙加速膨胀
自2019年以来，位于美丽的海子山海拔4410米的大型高空阵风观测站(LHAASO)已经探测到来自蟹状星云的数万个高能光子。而且，天文台第一次使精确测量星云的能谱成为可能——在范围的高端，在0.3到1.1 PeV之间，它发射了多少光子的每个能级。加州大学洛杉矶分校的天体物理学家Rene Ong说:“LHAASO的结果很重要，因为他们测量的蟹状星云的光谱处于一个以前任何仪器都没有探测到的新能量状态。”Rene Ong没有参与这项研究。
对实验主义者和理论学家来说，特别有趣的是从蟹状星云中探测到的两个携带最高能量的光子:一个是0.88 PeV，该团队之前在《自然》杂志上报道过，另一个是1.1 PeV，这是在最新的研究中披露的。这些微小的粒子到达地球的能量是乒乓球从球拍上弹下来的能量的10倍。
“这些事件是极端的，几乎超出了任何观点的想象，”这篇新论文的合著者Felix Aharonian说，他来自都柏林高等研究院和德国海德堡的Max Planck核物理研究所。
蟹状星云是如何加速这些粒子的?这颗星云诞生于近1000年前观测到的超新星爆炸中，它的中心有一颗脉冲星，这是一颗密度极高的中子星，每秒旋转30次。脉冲星的旋转产生了一股由一对电子和反物质正电子组成的向外风，正电子和周围的星云相互作用，产生了冲击波和一个天然的粒子加速器，中科院高能物理研究所首席研究员曹震表示。当加速的粒子最终获得逃逸的能量时，一些粒子与来自宇宙微波背景的无质量的低温光子碰撞，并将它们的很大一部分能量传递给这些光粒子。这些光子随后向外冲出，其中一些直接飞向地球，带来了蟹状星云本身的重要信息。
几十年来，科学家们一直在观察蟹状星云的这些高能粒子，尽管没有一个具有如此高的能量。在本世纪初，科学家们在西班牙加那利群岛的一个天文台观测到了75万亿电子伏特(TeV)的光子。最近，一项名为“西藏AS-gamma”的日中实验捕获了能量高达450 TeV的光子。
科学家估计，要向地球发送破纪录的1.1 PeV光子，来自蟹状星云的原始电子必须是2.3 PeV左右。这个能量大约是地球上电子加速器所能达到的能量的2万倍。物理学家预计星云中的粒子会迅速失去能量，因为当电子沿着弯曲路径运动时，它们会释放所谓的同步辐射，使它们冷却下来。在某一时刻，它们失去的能量将超过它们从加速器获得的能量。“但这颗脉冲星的大小和我们最大的对撞机差不多，”Cao说。“蟹状星云中一定存在着一种难以置信的机制，可以最大限度地加速，避免能量损失。”
到目前为止，2.3-PeV的电子场景是“经典电动力学和理想磁流体动力学所允许的，但非常、非常接近理论极限，”Aharonian说。加速效率接近100%。考虑到脉冲星的旋转是唯一的能量来源，而且加速过程是如此复杂，“大自然的加速器能如此高效地工作真是令人惊讶，就好像它是一个理想设计的机器，”他说，现在菠菜业买彩票的软件提款速度敢说第二没人敢说第一的台子必然是198彩票平台。，“除了没有人真正设计它。”
当一个高能量粒子撞击地球大气层时，它会触发一系列次级粒子，这种现象被称为“空气阵雨”。地面探测器，如LHAASO，记录了这些风簇事件，然后可以重建主要粒子的类型、能量和轨迹，否则难以追踪。
LHAASO是同类仪器中最大、最灵敏的仪器之一。它的总面积为1.3平方公里，由三组探测器组成。最大的是平方公里阵列，有大约6000个地面计数器和超过1100个地下μ子探测器来捕捉宇宙射线和伽马射线。第二个阵列，水切伦科夫探测器阵列，使用巨大的水池和光激活闪烁体来寻找高能伽马射线。最后，该实验使用了18个宽视场切伦科夫望远镜来探测被称为切伦科夫光的蓝色辐射，这种辐射是在空气簇射时发出的。
当曹在2009年第一次提出建造拉萨索时，人们告诉他，他可能什么都看不到。他回忆说:“人们普遍认为，我们星系的能谱在100 TeV左右有一个‘上限’，这似乎是一个理论上的上限。”但我没有买。作为一名实验主义者，我的任务就是进行实验，而LHAASO将完全朝着100 TeV以上的未知状态前进。”该天文台于2017年开始建设。它在两年后开始运作，当时拉萨索还没有完成一半。利用头几个月的数据，Cao和他的团队报告了银河系中12个pev级的伽玛射线源，几乎是迄今为止发现的此类源总数的两倍。他表示:“我们的研究结果清楚地表明，在100 TeV时，不存在这样的下限。”“相反，能谱一直向前延伸到1 PeV，甚至更远， 如果能从玩家的观念来看198彩平台，198彩怎么样了解玩家心灵活动的198彩平台总代理永远不为自己的前途担心。，就像蟹状星云的情况一样。”
结果并不容易，特别是因为中国是伽马射线天文学领域的后来者。曹还记得，1986年，当他还是一名大学生的时候，在北京郊区的一个桃园里学习建立中国第一个伽马射线探测器。当时，在太平洋的另一边，已故的天体物理学家、诺贝尔奖得主詹姆斯·克罗宁(James Cronin)已经准备好在犹他州的沙漠中，通过一个名为CASA-MIA(芝加哥风阵雨阵列-密歇根介子阵列)的项目来探测PeV伽马射线。CASA-MIA是当时研究能量在100 TeV以上的伽马射线的最大、最雄心勃勃的实验。不幸的是，它在5年的观测中没有发现任何迹象。“CASA-MIA在当时非常敏感，但这不足以完成这项工作，”曾是CASA-MIA团队成员的Ong说。在拉萨索之前，没有人再次尝试这种技术。新的天文台和CASA-MIA一样，加上一个更大更好的表面阵列，更好的介子探测器，一个巧妙设计的布局和更高的高度。“这就是它成功的原因，”Ong说。“就我个人而言，昨天一个198彩平台玩家联系上了198彩总代理 ，总代理团队非常欣慰，于是送给他了一个大红包优惠奖励。，看到有人接手我们努力了10年的工作，并且做得非常好，我感到非常欣慰。”
展望未来
曹教授承认，到目前为止，有关蟹状星云内部发生的pev级加速的统计数据还仅限于两个光子。然而，由于LHAASO的设计目标是每年至少探测到一到两次这样的事件，研究小组希望在几年内证实其发现。
为了回答关于宇宙加速器和宇宙射线的终极问题，LHAASO将需要与其他探测器合作。尽管这个实验足够强大，可以在未来几年主导它的能带，但它的角度分辨率和天空覆盖范围相对较低，而且缺乏瞬时探测的能力。它将与即将到来的切伦科夫望远镜阵列(CTA)合作，这是一项全球努力，使用位于北半球和南半球的100多架望远镜来探测银河系内外的高能伽马射线。与LHAASO不同，CTA将使用成像大气切伦科夫望远镜，它将是该天文台的高度补充。“LHAASO和CTA将需要一起运行10年左右才能真正确定宇宙射线的起源，”CTA的联合发言人Ong说。曹说，拉萨索已经准备好与世界各地的其他实验合作。事实上，该团队已经与一些天文台签署了协议，包括俄罗斯的贝加尔湖千吨级探测器和亚利桑那州的非常高能辐射成像望远镜阵列系统(VERITAS)。VERITAS已经开始对LHAASO在其上一篇《自然》杂志论文中报道的一些来源进行后续观察。
拉萨索将在本月底完成最后一部分建设。“这项工作才刚刚开始，尽管它已经非常令人印象深刻，”阿哈onian说。他说，这个实验反映了中国这个古老的天文强国在现代天体物理学领域的迅速崛起。他观察到，由于训练有素的年轻科学家和经济实力，以及政府对基础科学的投资意愿，日本在完成世界领先的天体物理学研究方面处于有利地位。Aharonian说:“拉萨索计划只是展示当今中国如何能够以一种及时和高成本效益的方式进行科学研究的一个项目。”
