对话LHAASO首席科学家曹臻:千年之后,金牛座传来什么讯息?

红星新闻

发布时间: 07-0910:46成都商报社

公元1054年7月4日,我国北宋仁宗至和元年的五月二十六日,大约天亮时分,开封府东南方向的天空中出现了一颗极亮的大星,因其出现在天关(即金牛座)位置,宋代司天监的天文研究者们称其为“天关客星”。这一天文事件被多部史书记载了下来——

据《宋史·天文志·第九》,这颗星于“至和元年五月己丑,出天关东南可数寸,岁余稍没”;《宋会要》记载:“嘉祐元年三月,司天监言:‘客星没,客去之兆也’。初,至和元年五月,晨出东方,守天关,昼见如太白,芒角四出,色赤白,凡见二十三日”。

这是历史上最早记载恒星爆炸的文字,也即当今天文学界非常著名的蟹状星云的前身恒星初始爆炸时候的情景。尽管其距离在地球6500光年远的地方,人们在地球上的白天,仍能看到它的光亮。

距离蟹状星云爆炸后967年,近日,地球再次收到从金牛座传回的“讯息”——

红星新闻记者从中国科学院高能物理研究所获悉,位于四川稻城县的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宋朝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。

同时,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(欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机LEP)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。此次观测结果是基于LHAASO 1/2 阵地和 3/4 阵地过去14个月观测的成果,已于今日(7月9日)在《科学》(Science)上发表,由中国科学院高能物理研究所牵头的LHAASO国际合作组完成。

在成果发布前夕,中国科学院高能所研究员、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻专程从北京飞到成都,接受一众媒体采访。“这是在四川发现的成果,一定要在四川讲出来!”他说。

此次研究发现意义何在?LHAASO的科学目标是什么?

▲曹臻

为超高能区标准烛光设定亮度标准

“这把尺子,被我们中国人找到了!”

红星新闻:此次成果除了观测到1.1拍电子伏光子,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,其意义何在?

曹臻:除了带来其自身对物理理解的理论模型外,蟹状星云还有一个更为重要的功能,即为该能区标准烛光设定了亮度标准。在最高能段的标准里,在LHAASO之前,没有任何手段可以检测。也就是说,LHAASO开辟了全新的未知领域,且制定了这个领域的实验调查发展的标准。

打个比喻,就像提供了一把标准计量的尺子,将来此类实验,都要以此来检测探测器的测量是否准确。而这把尺子,被我们中国人找到了!

红星新闻:什么是标准烛光?

曹臻:目前北半球只有蟹状星云一个标准烛光,标准烛光应用在天文观测上,其作用有2个:位置和亮度。

具体来说,天文望远镜要精准测量一个星体的具体位置,就要用蟹状星云来表明探测器方位。

从亮度来说,在万亿亿倍的范围上,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,也即是测量其它天体辐射强度的标尺。如果落在能量范围内的光子在此次制定的物理模型范围内,就证明亮度测对了。

▲高海拔宇宙线观测站(LHAASO) 图据高能所

红星新闻:您所提到的“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”,此发现意义何在?未来可运用在哪些领域?

曹臻:除了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,未来我们还可能找到和人类制造的地面加速器完全不一样的加速机制和方式,对未来地面加速器的设计和建造有重大指导意义。

此次研究成果主要用于基础物理的研究探索。未来如果我们能造出更高效率的加速器,这些加速器就可用于癌症治疗和诊断等领域。比如,现在的加速器只在大型医院使用,未来这些设备可能更加小型化,在一些小医院里就可以使用。

红星新闻:这次的发现也是“千年等一回”,为何距离上一次重大发现,中间隔了那么长时间?

曹臻:科技发展是主要因素。古代只能用肉眼观看,现在有各种各样的波段测量仪器和手段,从贵州的500米口径球面射电望远镜(FAST)到LHAASO,其中覆盖的能量范围是万亿亿倍,包括射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段,LHAASO还覆盖了更高能量的波段。

此外,蟹状星云爆炸后的遗迹星云至今的辐射也比太阳大,爆炸后形成的中子星直径约25公里,以每秒30圈的速度急速旋转着,整个星体至今仍以每秒1000~1500公里的速度扩张着。经过近一千年左右的扩展,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我们看到的星云。

要注意的是,尽管蟹状星云在不断扩大,但它的大小实际上只有0.005度,我们在地球上以6500光年的距离看它,肉眼依然分辨不出,只有通过天文望远镜才能看到它的面貌。

红星新闻:那我们是否会和贵州的FAST进行合作?

曹臻:当然!我们前面提到,FAST到LHAASO,其中覆盖的能量范围是万亿亿倍,FAST正好是最低的一段,LHAASO是最高的一段,要对此现象进行一个完整深入研究,一定要开展多波段的综合统一研究。在多波段研究中,我们已经和FAST提出多个源的观测申请。最终目的,是通过研究这些特殊的天体,找到宇宙线起源,搞清楚起源的机制是什么。从科学上来讲,这也是我们最终要实现的目标。

▲高海拔宇宙线观测站(LHAASO) 图据高能所

LHAASO今年8月正式投运

“将有更多激动人心的科学突破”

红星新闻:时隔近一千年,蟹状星云再次被我们中国人、被四川的科学观测站捕捉到了,对此您有何感受?

曹臻:肯定很自豪。在天文历史中,蟹状星云有很多个“第一”,但这一次的“第一”不太一样,因为我们所观测到的1.1拍电子伏,可能是能观测到的最高能量段,是一个全新的未知领域。在LHAASO建造前,欧洲和美国主流的伽马光子的探测是天文望远镜,其能捕捉到的最高能量为0.1个拍电子伏。在过去二、三十年中,发表在《科学》上的,都是几十个零点零几拍电子伏的观测。原因是随着能量升高,电子强度越来越低,如果没有像LHAASO这样高灵敏度的大型探测器,是无法将其捕捉的。这也是此次统计数据尤为重要的原因。

▲NASA发布的蟹状星云中心图片,中心有最明亮的一颗中子星。图源/IC photo

同时,LHAASO可能在未来十年乃至二十年内,都是一个国际领先的大科学装置。可以看到,中国人在科学上的贡献,已经变得越来越重要。

红星新闻:上一次发布LHAASO观测到的成果是5月17日,不到两个月时间,我们就发布了2次重大成果,对于这个频率您如何看?

曹臻:无论是速度还是更高能量级的发现,都大大超出了我们的预期。值得一提的是,LHAASO是一个非常综合性的探测装置,它一共有4种探测器,这4种探测器对于宇宙线的现象,从不同角度立体地进行观测,因此它提供了一个非常丰富的宇宙线的知识测量。除了研究基础物理的内容以外,它还可以研究气象、雷电、太阳活动等等,这些领域的研究也正在逐渐开展。

红星新闻:能否介绍下LHAASO的建设节点和未来三五年的中远期规划?

曹臻:目前LHAASO阵列探测器的安装已全部结束,已进入探测器调试的最后阶段,预计今年7月底可以达到完全观测的条件,8月正式投入运营,年底前完成验收。

LHAASO的未来规划依然是天文观测。目前我们已经发现有12个宇宙线起源的候选天体,未来几年,我们会像此次发布的蟹状星云成果一样,对这些源去做深入研究。LHAASO的潜力巨大,目前我们的成果仅仅是冰山一角,一旦阵列正式运行,可以预见的是,未来将有更多激动人心的科学突破。

红星新闻记者 彭祥萍 摄影报道 部分图据中国科学院高能物理研究所

编辑 陈怡西

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