公元1054年7月4日日出前不久，中國宋朝的欽天監觀測到一顆不明恆星照亮了東方天空。“它像金星一樣明亮，向四面八方發出尖銳的光芒，呈紅白色，”他們在呈交給皇帝的奏章中寫道。這種光芒持續了近一個月，白天肉眼可見，它來自於一顆位於金牛座方向 6500 光年外的恆星壯麗死亡所引發的爆炸。它的遺蹟今天被稱為蟹狀星雲，是天空中最美麗、研究最深入的天體之一。
科學家們早就知道蟹狀星雲是一個非常高能的天體物理天體，它輻射出從無線電波到伽馬射線的各種射線。但最近，科學家們發現它比他們想象的還要高能。本週，一個團隊在《科學》雜誌上報告說，他們利用位於青藏高原東緣的一系列最先進的探測器，探測到來自這個著名的超新星遺蹟的光粒子，其能量高達一千萬億電子伏特以上（1 PeV），這表明它的能量如此之高，以至於對經典的物理理論構成了潛在的挑戰。
宇宙加速器
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大型高海拔宇宙線觀測站（LHAASO）坐落在海拔 4410 米的美麗海子山上，自 2019 年以來，已經探測到來自蟹狀星雲的數萬個高能光子。該觀測站首次能夠精確測量星雲的能譜——它在更高能量範圍內（0.3 到 1.1 PeV 之間）發射的每個能量級別的光子數量。“LHAASO 的結果非常重要，因為它測量了蟹狀星雲在以前任何儀器都未曾探索過的新的能量範圍內的光譜，”加州大學洛杉磯分校的天體物理學家 Rene Ong 說，他沒有參與這項研究。
實驗學家和理論家都特別感興趣的是，從蟹狀星雲探測到的兩個能量最高的光子：一個能量為 0.88 PeV，團隊曾在《自然》雜誌上此前報道過；另一個能量為 1.1 PeV，在最新的研究中被揭示。這些微小粒子抵達地球時，其能量是乒乓球從球拍上彈起的 10 倍。
“從任何角度來看，這些事件都是極端的，幾乎超乎想象，”都柏林高等研究院和德國海德堡馬克斯·普朗克核物理研究所的新論文合著者 Felix Aharonian 說。
蟹狀星雲是如何加速這些粒子的？蟹狀星雲誕生於大約 1000 年前觀測到的超新星爆發，其核心蘊藏著一顆脈衝星，這是一顆極其緻密的中子星，每秒自轉 30 次。LHAASO 首席研究員、中國科學院高能物理研究所的 曹臻 解釋說，脈衝星的自轉產生了一種由電子及其反物質對應物正電子組成的向外風，然後這種風與周圍的星雲相互作用，產生衝擊波和天然粒子加速器。當加速粒子最終獲得逃逸的能量時，其中一些粒子會撞擊來自宇宙微波背景的無質量、低溫光子，並將它們的大部分能量傳遞給這些光粒子。然後，光子向外疾馳，其中一些光子徑直射向地球，帶來了關於蟹狀星雲本身的重要資訊。
幾十年來，科學家們一直在觀測來自蟹狀星雲的這些高能粒子，儘管沒有一個粒子像這次這樣高能。在本世紀初，科學家們在西班牙加那利群島的一個天文臺觀測到了能量為 75 萬億電子伏特（TeV）的光子。最近，一項名為西藏 AS-gamma 的日中合作實驗捕捉到了能量高達 450 TeV 的光子。
科學家們估計，為了將破紀錄的 1.1-PeV 光子傳送到地球，來自蟹狀星雲的原始電子的能量必須約為 2.3 PeV。這個能量大約是地球上電子加速器所能達到的能量的 20000 倍。物理學家預計星雲中的粒子會迅速失去能量，因為當電子沿著彎曲路徑運動時，它們會釋放出所謂的同步輻射，導致它們冷卻下來。在某個時候，它們損失的能量將超過它們從加速器獲得的能量。“但脈衝星的大小隻相當於我們最大的對撞機，”曹臻說。“蟹狀星雲中一定存在一種令人難以置信的機制，可以最大限度地提高加速效率，從而對抗能量損失。”
到目前為止，2.3-PeV 電子的情景“在經典電動力學和理想磁流體動力學中是允許的，但非常非常接近理論極限，”Aharonian 說。加速效率接近 100%。考慮到脈衝星的自轉是唯一的能量來源，並且加速過程如此複雜，“自然界的加速器以如此高的效率工作，真的令人驚訝，就好像它是一臺理想設計的機器一樣，”他說，“只不過沒有人真正設計它。”
LHAASO 實驗的鳥瞰圖。圖片來源：Yudong Wang LHAASO 合作組織
LHAASO
當一個非常高能的粒子撞擊地球大氣層時，它會引發一系列次級粒子，這種現象被稱為“空氣簇射”。諸如 LHAASO 等地面探測器會記錄這些空氣簇射事件，然後可以重建主要粒子的型別、能量和軌跡，否則這些粒子就太難以追蹤了。
LHAASO 是同類儀器中規模最大、靈敏度最高的儀器之一。它佔地總面積 1.3 平方公里，由三個探測器陣列組成。最大的是平方公里陣列，擁有約 6000 個地面計數器和 1100 多個地下繆子探測器，用於捕捉宇宙射線和伽馬射線。第二個陣列是水切倫科夫探測器陣列，它使用巨大的水池和光啟用閃爍器來尋找高能伽馬射線。最後，該實驗使用 18 個廣視場切倫科夫望遠鏡來探測空氣簇射期間發出的稱為切倫科夫光的藍色輻射。
當曹臻在 2009 年首次提出建造 LHAASO 時，人們告訴他他可能什麼都看不到。“當時普遍認為，我們銀河系的能譜在 100 TeV 左右存在一個‘截止’，這似乎是一個理論上限，”他回憶道。“但我不相信。作為一名實驗學家，我的使命是進行實驗，而 LHAASO 將專門針對 100 TeV 以上的未知領域。”該觀測站於 2017 年開始建設。它在兩年後開始執行，當時 LHAASO 甚至還沒有完成一半。曹臻和他的團隊利用最初幾個月的資料，報告了銀河系中十幾個 PeV 級的伽馬射線源，幾乎使迄今為止發現的此類源的總數翻了一番。“我們的結果清楚地表明，在 100 TeV 處沒有這樣的截止，”他說。“相反，能譜持續向前延伸到 1 PeV 甚至更高，蟹狀星雲的情況就是如此。”
這些成果來之不易，尤其是在中國是伽馬射線天文學領域的後來者的情況下。曹臻仍然記得他還是本科生時，在 1986 年在北京郊區的一個桃園裡學習架設中國第一臺伽馬射線探測器的情景。當時，在太平洋的另一邊，已故的天體物理學家和諾貝爾獎獲得者詹姆斯·克羅寧已經準備好透過一個名為 CASA-MIA（芝加哥空氣簇射陣列-密歇根繆子陣列）的專案在猶他州的沙漠中探測 PeV 伽馬射線。CASA-MIA 當時是研究 100 TeV 以上能量伽馬射線的規模最大、最具雄心的實驗。不幸的是，在五年的觀測中，它沒有探測到任何伽馬射線。“CASA-MIA 當時非常靈敏，但它還不足以完成這項工作，”曾參與 CASA-MIA 團隊的 Ong 說。在 LHAASO 之前，沒有人再次嘗試過這種技術。新的觀測站擁有 CASA-MIA 的一切優點，外加更大、更好的地面陣列、更好的繆子探測器、巧妙的設計佈局和更高的海拔。“這就是它成功的原因，”Ong 說。“就我個人而言，我非常欣慰地看到有人接過了我們辛勤工作了 10 年的專案，並做得非常出色。”
展望未來
曹臻承認，到目前為止，關於蟹狀星雲內部發生的 PeV 級加速的統計資料僅限於兩個光子。然而，由於 LHAASO 的設計目的是每年至少探測到一到兩個這樣的事件，因此該團隊希望在幾年內證實他們的發現。
為了回答關於宇宙加速器和宇宙射線的最終問題，LHAASO 需要與其他探測器合作。這項實驗雖然強大到足以在未來幾年內主導其能量波段，但其角解析度和天空覆蓋率相對較低，並且缺乏瞬時探測能力。它將與即將到來的切倫科夫望遠鏡陣列（CTA）合作，這是一項全球性努力，旨在利用位於南北半球的 100 多臺望遠鏡探測銀河系內外的高能伽馬射線。與 LHAASO 不同，CTA 將使用成像大氣切倫科夫望遠鏡，它將與 LHAASO 形成高度互補。“LHAASO 和 CTA 需要一起執行十年左右，才能真正確定宇宙射線的起源，”作為 CTA 聯合發言人的 Ong 說。曹臻表示，LHAASO 隨時準備與來自世界各地的其他實驗合作。事實上，該團隊已經與包括俄羅斯的貝加爾湖千兆噸體積探測器和亞利桑那州的極高能輻射成像望遠鏡陣列系統（VERITAS）在內的多個天文臺簽署了協議。VERITAS 已經開始對 LHAASO 在其之前的《自然》雜誌論文中報告的一些源進行後續觀測。
LHAASO 將在本月底完成最後一點建設。“工作才剛剛開始，儘管已經非常令人印象深刻，”Aharonian 說。他表示，這項實驗反映了中國這個古老的天文強國在現代天體物理學領域的快速崛起。他認為，由於中國訓練有素的年輕科學家和經濟實力，以及政府投資基礎科學的意願，中國有能力完成世界領先的天體物理學研究。“LHAASO 只是一個專案，它表明今天的中國能夠以及時且高效的方式開展科學研究，”Aharonian 說。