公元1054年7月4日日出前不久，中国宋朝的钦天监观测到一颗不明恒星照亮了东方天空。“它像金星一样明亮，向四面八方发出尖锐的光芒，呈红白色，”他们在呈交给皇帝的奏章中写道。这种光芒持续了近一个月，白天肉眼可见，它来自于一颗位于金牛座方向 6500 光年外的恒星壮丽死亡所引发的爆炸。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天体，它辐射出从无线电波到伽马射线的各种射线。但最近，科学家们发现它比他们想象的还要高能。本周，一个团队在《科学》杂志上报告说，他们利用位于青藏高原东缘的一系列最先进的探测器，探测到来自这个著名的超新星遗迹的光粒子，其能量高达一千万亿电子伏特以上（1 PeV），这表明它的能量如此之高，以至于对经典的物理理论构成了潜在的挑战。
宇宙加速器
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大型高海拔宇宙线观测站（LHAASO）坐落在海拔 4410 米的美丽海子山上，自 2019 年以来，已经探测到来自蟹状星云的数万个高能光子。该观测站首次能够精确测量星云的能谱——它在更高能量范围内（0.3 到 1.1 PeV 之间）发射的每个能量级别的光子数量。“LHAASO 的结果非常重要，因为它测量了蟹状星云在以前任何仪器都未曾探索过的新的能量范围内的光谱，”加州大学洛杉矶分校的天体物理学家 Rene Ong 说，他没有参与这项研究。
实验学家和理论家都特别感兴趣的是，从蟹状星云探测到的两个能量最高的光子：一个能量为 0.88 PeV，团队曾在《自然》杂志上此前报道过；另一个能量为 1.1 PeV，在最新的研究中被揭示。这些微小粒子抵达地球时，其能量是乒乓球从球拍上弹起的 10 倍。
“从任何角度来看，这些事件都是极端的，几乎超乎想象，”都柏林高等研究院和德国海德堡马克斯·普朗克核物理研究所的新论文合著者 Felix Aharonian 说。
蟹状星云是如何加速这些粒子的？蟹状星云诞生于大约 1000 年前观测到的超新星爆发，其核心蕴藏着一颗脉冲星，这是一颗极其致密的中子星，每秒自转 30 次。LHAASO 首席研究员、中国科学院高能物理研究所的 曹臻 解释说，脉冲星的自转产生了一种由电子及其反物质对应物正电子组成的向外风，然后这种风与周围的星云相互作用，产生冲击波和天然粒子加速器。当加速粒子最终获得逃逸的能量时，其中一些粒子会撞击来自宇宙微波背景的无质量、低温光子，并将它们的大部分能量传递给这些光粒子。然后，光子向外疾驰，其中一些光子径直射向地球，带来了关于蟹状星云本身的重要信息。
几十年来，科学家们一直在观测来自蟹状星云的这些高能粒子，尽管没有一个粒子像这次这样高能。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能量为 75 万亿电子伏特（TeV）的光子。最近，一项名为西藏 AS-gamma 的日中合作实验捕捉到了能量高达 450 TeV 的光子。
科学家们估计，为了将破纪录的 1.1-PeV 光子发送到地球，来自蟹状星云的原始电子的能量必须约为 2.3 PeV。这个能量大约是地球上电子加速器所能达到的能量的 20000 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，它们会释放出所谓的同步辐射，导致它们冷却下来。在某个时候，它们损失的能量将超过它们从加速器获得的能量。“但脉冲星的大小只相当于我们最大的对撞机，”曹臻说。“蟹状星云中一定存在一种令人难以置信的机制，可以最大限度地提高加速效率，从而对抗能量损失。”
到目前为止，2.3-PeV 电子的情景“在经典电动力学和理想磁流体动力学中是允许的，但非常非常接近理论极限，”Aharonian 说。加速效率接近 100%。考虑到脉冲星的自转是唯一的能量来源，并且加速过程如此复杂，“自然界的加速器以如此高的效率工作，真的令人惊讶，就好像它是一台理想设计的机器一样，”他说，“只不过没有人真正设计它。”
LHAASO 实验的鸟瞰图。图片来源：Yudong Wang LHAASO 合作组织
LHAASO
当一个非常高能的粒子撞击地球大气层时，它会引发一系列次级粒子，这种现象被称为“空气簇射”。诸如 LHAASO 等地面探测器会记录这些空气簇射事件，然后可以重建主要粒子的类型、能量和轨迹，否则这些粒子就太难以追踪了。
LHAASO 是同类仪器中规模最大、灵敏度最高的仪器之一。它占地总面积 1.3 平方公里，由三个探测器阵列组成。最大的是平方公里阵列，拥有约 6000 个地面计数器和 1100 多个地下缪子探测器，用于捕捉宇宙射线和伽马射线。第二个阵列是水切伦科夫探测器阵列，它使用巨大的水池和光激活闪烁器来寻找高能伽马射线。最后，该实验使用 18 个广视场切伦科夫望远镜来探测空气簇射期间发出的称为切伦科夫光的蓝色辐射。
当曹臻在 2009 年首次提出建造 LHAASO 时，人们告诉他他可能什么都看不到。“当时普遍认为，我们银河系的能谱在 100 TeV 左右存在一个‘截止’，这似乎是一个理论上限，”他回忆道。“但我不相信。作为一名实验学家，我的使命是进行实验，而 LHAASO 将专门针对 100 TeV 以上的未知领域。”该观测站于 2017 年开始建设。它在两年后开始运行，当时 LHAASO 甚至还没有完成一半。曹臻和他的团队利用最初几个月的数据，报告了银河系中十几个 PeV 级的伽马射线源，几乎使迄今为止发现的此类源的总数翻了一番。“我们的结果清楚地表明，在 100 TeV 处没有这样的截止，”他说。“相反，能谱持续向前延伸到 1 PeV 甚至更高，蟹状星云的情况就是如此。”
这些成果来之不易，尤其是在中国是伽马射线天文学领域的后来者的情况下。曹臻仍然记得他还是本科生时，在 1986 年在北京郊区的一个桃园里学习架设中国第一台伽马射线探测器的情景。当时，在太平洋的另一边，已故的天体物理学家和诺贝尔奖获得者詹姆斯·克罗宁已经准备好通过一个名为 CASA-MIA（芝加哥空气簇射阵列-密歇根缪子阵列）的项目在犹他州的沙漠中探测 PeV 伽马射线。CASA-MIA 当时是研究 100 TeV 以上能量伽马射线的规模最大、最具雄心的实验。不幸的是，在五年的观测中，它没有探测到任何伽马射线。“CASA-MIA 当时非常灵敏，但它还不足以完成这项工作，”曾参与 CASA-MIA 团队的 Ong 说。在 LHAASO 之前，没有人再次尝试过这种技术。新的观测站拥有 CASA-MIA 的一切优点，外加更大、更好的地面阵列、更好的缪子探测器、巧妙的设计布局和更高的海拔。“这就是它成功的原因，”Ong 说。“就我个人而言，我非常欣慰地看到有人接过了我们辛勤工作了 10 年的项目，并做得非常出色。”
展望未来
曹臻承认，到目前为止，关于蟹状星云内部发生的 PeV 级加速的统计数据仅限于两个光子。然而，由于 LHAASO 的设计目的是每年至少探测到一到两个这样的事件，因此该团队希望在几年内证实他们的发现。
为了回答关于宇宙加速器和宇宙射线的最终问题，LHAASO 需要与其他探测器合作。这项实验虽然强大到足以在未来几年内主导其能量波段，但其角分辨率和天空覆盖率相对较低，并且缺乏瞬时探测能力。它将与即将到来的切伦科夫望远镜阵列（CTA）合作，这是一项全球性努力，旨在利用位于南北半球的 100 多台望远镜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，它将与 LHAASO 形成高度互补。“LHAASO 和 CTA 需要一起运行十年左右，才能真正确定宇宙射线的起源，”作为 CTA 联合发言人的 Ong 说。曹臻表示，LHAASO 随时准备与来自世界各地的其他实验合作。事实上，该团队已经与包括俄罗斯的贝加尔湖千兆吨体积探测器和亚利桑那州的极高能辐射成像望远镜阵列系统（VERITAS）在内的多个天文台签署了协议。VERITAS 已经开始对 LHAASO 在其之前的《自然》杂志论文中报告的一些源进行后续观测。
LHAASO 将在本月底完成最后一点建设。“工作才刚刚开始，尽管已经非常令人印象深刻，”Aharonian 说。他表示，这项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快速崛起。他认为，由于中国训练有素的年轻科学家和经济实力，以及政府投资基础科学的意愿，中国有能力完成世界领先的天体物理学研究。“LHAASO 只是一个项目，它表明今天的中国能够以及时且高效的方式开展科学研究，”Aharonian 说。