“这颗星”在宋朝出现，如今它又告诉我们一些宇宙的秘密
公元1054年，宋朝的天空上出现了一颗明亮的星，持续23天。这个过程被当时的司天监记录下来：“自至和元年五月，客星晨出东方，守天关，至是没（《宋史·仁宗本纪》）。”
其实，这次所谓的“天关客星”是一颗超新星爆发，之后便形成了著名的“蟹状星云”，被称为高能天文的标准烛光。如今，一个叫“拉索”的中国探测器又一次开启了人类对这个星云的新认知。（不知道“拉索”的同学点这里补课）
这次对蟹状星云的观测传递了哪些新讯息？据说又对经典理论提出了挑战？看完以下6个问题就明白了！
这次观测发现了什么？
位于四川稻城的国家重大科技基础设施“高海拔宇宙线观测站（LHAASO，俗称“拉索”）”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。
相关结果于美国东部时间7月8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。
为什么说蟹状星云是“高能天文的标准烛光”？
标准烛光核心是为不同实验提供统一的度量光度的标准。在测量天体源的光度时，不同探测装置的结果可能存在差别。如果各种装置都对同一个标准源进行测量对比，就可以检验不同装置间的差别。在测量其它天体源的光度时，不同探测装置都把测量的光度都以自己测量的标准源的光度为单位，就可以消除装置之间的差异。
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。
超高能伽马光源的新标准“新”在哪里？
蟹状星云的高能观测具有超过30年的观测历史，其光谱在22个量级上有精确的测量，但是此前测量最高能量只覆盖到0.3拍电子伏。
LHAASO这次的测量结果覆盖了从0.0005到1.1拍电子伏的范围，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。新标准与旧标准相比，能量范围更宽广，向高能延伸了。
为什么测到1.1拍电子伏光子，就能证明存在能力超强的电子加速器？
在LHAASO此前发现的12颗超高能伽马光源中（戳这里复习之前的发现），蟹状星云是两个具有拍电子伏光子发射能力的光源之一，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。
在加速器里（就是一些磁场和电场存在的区域）只有带电的粒子（自然界里最常见的就是电子或质子）才能被加速。当它们被加速到很高能量之后，就会有很大的机会跟周围的物质或光场中的粒子或光子碰撞。
图片来源：veer图库
当电子能量很高的时候，撞击一个哪怕能量很低的光子，就能把大约自己一半的能量转移给被撞的光子，就像两颗台球的碰撞。因此，就算是原来光子的能量可以忽略，当它被2.3拍电子伏的电子撞击之后，就变成了1.1拍电子伏的光子了。而这种能量很低的光子无所不在，弥漫在整个宇宙的每一个角落，打开电视机看到的雪花点背景里，就包含这种背景噪音信号。
之前在天鹅座恒星形成区发现了最高能量的光子，是否预示着天鹅座方向有更强的电子加速器？
还不能这么说。
天鹅座恒星形成区和蟹状星云都是具有拍电子伏光子发射能力的光源，之前在天鹅座恒星形成区发现了最高能量为1.4拍电子伏的光子，但是目前测量结果并不能确定其是电子辐射还是强子辐射，倾向于认为是强子辐射。
“挑战了高能天体物理中电子加速的‘标准模型’”，这意味着什么 ？
蟹状星云的高能观测历史超过30年，其光谱在22个量级上有精确的测量，结构比较简单，因此可以用简单的电子加速模型对这样一个复杂的光谱做出精确解释，被誉为“标准模型”。
而这次的观测结果对上述“标准模型”提出了挑战，甚至可能会“颠覆”它。
挑战之一：如果这个光子的确是源自一个超高能电子的撞击，那么这个电子的能量就会高达2.3拍电子伏。因为电子在被加速的过程中会不断地“放水”，即把获得的能量泄漏掉，也就是说电子要非常快地获得把能量才能补上漏掉的能量还让自己得到更多的能量，直到2.3拍电子伏。考虑到蟹状星云的物理环境条件，这就要求这个加速过程具有超乎想像的高效率。高到什么程度呢？已经逼近了经典电动力学和磁流体力学的理论极限。换句话说，如果这次测到的光子能量达到3.5拍电子伏，而不是1.1拍电子伏，就意味着这些理论就已经出了问题了！
挑战之二：虽然这个模型在更低的十几个量级上都精确地符合数据，但是LHAASO观测到的超高能波段的光谱，比较明显地表现出偏离了“标准模型”。如果将来的大统计量观测结果证实了这个偏离，那么就需要修改这个“标准模型”了。
修改“标准模型”也许是件好事，“挑战之一”就可能得以解释，也可能就此得到了宇宙线的起源证据，将是巨大的突破。
最后，关于“拉索”你该知道的
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。
LHAASO采用这四种探测技术，可以全方位、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。这次报道的成果充分体现了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是怎么工作的？
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LHAASO将于2021年7月完全建成并投入科学运行，预期每年可以记录到1~2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秘将被揭开。
期待LHAASO带来更多的好消息，为我们解开高能宇宙线起源的“世纪之谜”！
作者单位：中国科学院高能物理研究所
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