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我校教师在《Science》发表合作研究论文—— 高海拔宇宙线观测站测定了标准烛光的超高能段亮度、发现拍电子伏伽马辐射挑战理论极限

来源:     作者:    编辑:chen    发布时间:2021-07-09 13:36    点击数: Views

國家重大科技基礎設施“高海拔宇宙線觀測站(LHAASO)”精確測量了高能天文學標准燭光的亮度,覆蓋3.5個量級的能量範圍,爲超高能伽馬光源測定了新標准。這個標准燭光就是由宋朝的司天監發現並記錄的“客星”經千年演化而形成的著名天體——蟹狀星雲。這次觀測還記錄到能量達1.1拍電子伏(拍=千萬億)的伽馬光子,由此確定在大約僅爲太陽系1/10大小的(約5000倍日地距離)星雲核心區內存在能力超強的電子加速器,加速能量達到了人工加速器産生的電子束的能量(歐洲核子研究中心大型正負電子對撞機LEP)兩萬倍左右,直逼經典電動力學和理想磁流體力學理論所允許的加速極限。相關結果于美國東部時間7月8日在《科學》(Science)上發表,由中國科學院高能物理研究所牽頭的LHAASO國際合作組完成。

蟹狀星雲距離地球約6500光年,誕生于公元1054年的一次超級明亮的超新星爆發,這是現代天文學中第一個被證認的具有清晰曆史觀測記錄的超新星遺迹,其中心有一顆以每秒鍾30圈快速旋轉的脈沖星。高速旋轉的超強磁場將脈沖星表面磁層中的大量正負電子持續不斷地吹向四周,形成一股速度近乎光速的強勁星風。星風中的電子與外部介質碰撞後會被進一步加速至更高能量並産生我們看到的星雲。蟹狀星雲是爲數極少的在射電、紅外、光學、紫外、X射線和伽馬射線波段都有輻射的天體,曆史上對其光譜已經進行了大量的觀測研究,是非常明亮且穩定的高能輻射源,因此在多個波段它被作爲標准燭光,也即是測量其它天體輻射強度的標尺。

LHAASO測量了蟹狀星雲輻射的最高能量端能譜,覆蓋了從0.0005到1.1拍電子伏寬廣的範圍,不但確認了此範圍內其他實驗幾十年的觀測結果,還實現了前所未有的超高能區(0.3-1.1拍電子伏)的精確測量,這爲該能區標准燭光設定了亮度標准。

在LHAASO此前發現的12顆超高能伽馬光源中,蟹狀星雲是兩個具有拍電子伏光子發射能力的光源之一,同時也是唯一明確了輻射源的天體。而此次測到1.1拍電子伏光子,提供了2.3拍電子伏電子加速器存在的直接觀測證據,這比人類在地球上建造的最大的電子加速器LEP(歐洲核子研究中心的LHC前身)産生的電子束的能量高兩萬倍左右。因爲越高能的電子越容易在磁場中損失能量,蟹狀星雲內的粒子加速機制必須具有驚人效率才能克服這些電子的能量損失。據LHAASO的測量結果推算,其加速效率竟達到理論極限的15%,比超新星爆發産生的爆震波的加速效率高約一千倍,挑戰了高能天體物理中電子加速的“標准模型”。文章對此進行了深入的理論分析和討論。

LHAASO是以宇宙線觀測研究爲核心的國家重大科技基礎設施,位于四川省稻城縣海拔4410米的海子山,占地面積約1.3平方公裏,是由5195個電磁粒子探測器和1188個缪子探測器組成的一平方公裏地面簇射粒子陣列、78000平方米水切倫科夫探測器陣列以及18台廣角切倫科夫望遠鏡交錯排布組成的複合陣列。LHAASO采用這四種探測技術,可以全方位、多變量、立體地測量宇宙線或伽馬射線在大氣層中的反應,並重建它們的基本信息。這次報道的成果充分體現了LHAASO獨特的多種探測手段相互交叉檢驗的能力,確保測量結果的准確性和可靠性。LHAASO將于2021年7月建成並投入科學運行,預期每年可以記錄到1~2個來自蟹狀星雲的拍電子伏光子。未來幾年內,更多關于拍電子伏粒子加速的奧秘將被揭開。

通宝棋牌作为LHAASO科学合作组成员,物理与材料科学学院樊军辉教授、王洪光教授、Denis Bastieri教授、博士后裴致远、研究生蔡金庭、张丽霞、何思乐等为本文共同作者。

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