封面新闻记者杨晨 实习生 刘彦君
1054年，宋朝人抬头仰望，观天事测吉凶时，在金牛座的天关星附近发现了一重大“天象”，并将肉眼所观察到的星体取名为“客星”。而后，这次“天象”被科学家判定为一次超级明亮的超新星爆发。
经过近千年的演化，这颗“客星”“成长”为如今我们所熟知的蟹状星云，距离地球6500光年。
跨越近千年的“仰望”，冥冥之中，探索未知的“接力棒”又再次传回国人手中。
2021年，也就是在其“诞生”的967年以后，同样是在中国，科学家们利用自主修建的，以宇宙线观测研究为核心的国家重大科技基础设施——LHAASO（高海拔宇宙线观测站），对蟹状星云又有了新的发现。
据悉，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。在这之前，记者采访了LHAASO项目首席科学家曹臻，了解此次发现的主要内容和重大意义。
LHAASO项目
关于“蟹状星云”
在介绍此次发现成果之前，曹臻从蟹状星云的“诞生”，以及人类对其的研究内容作了说明。
1054年，金牛座的天关星附近突现“客星”，宋朝的“天文中心”司天监观察并记录到了这一重大“天象”。
据《宋会要》记载：“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，芒角四处，色赤白，凡见二十三日。”
根据描述，这颗星出现的时候带着呈四角的光辉，红白色。不光是晚上可以看见它，在白天也能够看到，甚至持续了二十三日之久。不光在中国，当时世界上还有其他国家的天文学家对此也有记载。但随着观测水平的提高，科学家们也发现了该星体的变化，星云的出现和“膨胀”。
经过观测、推算和研究，便判定了在1054年观测到的那一次，为超新星爆发，并“诞生”了我们熟知的蟹状星云。“虽然当时记录到的观测时间是在五月，但是因为其在离地球6500光年的地方，根据天文单位换算，爆炸其实是于当年的7月4日凌晨发生的。”曹臻表示，正是有了当时宋朝司天监的准确记录，为后续的研究和测定，省去了不少复杂的计算。“说明我们中国人做天文有得天独厚的优势。”
如今，这个星云还在往外，以大约1500公里/秒的速度扩展。“相当于每一秒就扩展一个北京到上海的距离，可以想象多快多大。但是因为离我们太远，在我们人类有限的生命里，所能观察到的变化，并不明显。”曹臻说。
所以，其也是现代天文学中第一个被认证的具有清晰历史观测记录的超新星遗迹。在不断探索中，科学家们解释清楚了蟹状星云的更多“秘密”：中心有一颗在20公里范围内，以每秒钟30圈快速旋转的脉冲星。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才产生我们看到的星云。
同时，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，在人类寿命范围内（相对而言）是不会改变的，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。
LHAASO项目
作为一把“标尺”
“标准烛光”，如何发挥“标尺”作用？
曹臻先从一个简单的概念入手：“在巴黎，有一个国际度量衡局，那里存放着一米长度的标准。我们如果要确定一段长度是否为1米的话，就要拿着去那比对。
换而言之，我们有了这个标准烛光，在做实验的时候，就要用测量到的能量强度去比对。”标准烛光的作用，就是辅助天文观测，判断天体能量强度的同时，也能帮助定准位置。“用望远镜观测新的星体时，会出现器械状态造成的误差等原因，我们也可以借助于这个标准烛光，去比对其和研究星体的位置，从而在后续观察中可以更好定位。”
过去三十年间，国际上各种探测器对蟹状星云在7个波段的辐射能量都进行了测量，“横跨”了万亿亿电子伏特的能谱范围，这次利用LHAASO，曹臻及其团队对其高能端3.5个高能量级进行了测量，在重合能段的结果基本上与之前的一致，这也给曹臻增添了信心。“因为我们这次还测量到了，前人并未测量过的标准烛光的最高能量端能谱。现在看来，我们的准确度较高。”
据悉，LHAASO测量覆盖3.5个量级的能量范围，而最高能量端能谱覆盖了从0.0005到1.1拍电子伏（1拍=千万亿）宽广的范围，不但确认了此范围内其他实验三十年的观测结果，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。他补充，蟹状星云是北半球地区目前唯一一个标准烛光。在南半球因为观测范围的变化，会有其他的标准烛光作参照。
如此高能量存在，是否会对地球上的我们产生影响？曹臻表示，蟹状星云发射出来的能量超过1 拍电子伏（拍=千万亿）的光子在一年内落在一平方公里的面积上也就1、2个，而这1、2个光子还被淹没在几万个通常的宇宙线事例之中，非常稀少。
其次，我们的大气层虽然感觉看起来很“稀薄”，但高能量粒子穿透它时会撞到里面的氮分子和原子核等，能量会被分解掉。而且人类生活的环境大多处于海拔1000米-2000米范围内，我们被大气层保护得很好。
但如果长期暴露在宇宙线辐射环境中，还是对人有伤害。“这就是为什么我们去到空间站的三位航天员，出舱作业时要穿厚厚的航天服。除了供氧，里面还含有铅，就是为了抵挡宇宙线的辐射。”
LHAASO项目
来自宇宙“电子加速器”的挑战
除了精准测量了高能天文学标准烛光的亮度，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。
曹臻表示，在LHAASO此前发现的12颗超高能伽马光源中，蟹状星云是两个具有拍电子伏（拍=千万亿）光子发射能力的光源之一，同时也是唯一明确了辐射源的天体。“而此次测到1.1拍电子伏（拍=千万亿）光子，提供了2.3拍电子伏（拍=千万亿）电子加速器存在的直接观测证据，这比人类在地球上建造的最大的电子加速器LEP（欧洲核子研究中心的LHC前身）产生的电子束的能量高两万倍左右，而且就在那20公里范围内。这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。”
因为越高能的电子越容易在磁场中损失能量，蟹状星云内的粒子加速机制必须具有惊人效率才能克服这些电子的能量损失。据LHAASO的测量结果推算，其加速效率竟达到理论极限的15%，比超新星爆发产生的爆震波的加速效率高约一千倍，挑战了高能天体物理中电子加速的“标准模型”。“甚至会对我们熟悉的，电学等基本理论，都带来‘挑战’和冲击。”
对于宇宙加速器的研究，从现阶段看，曹臻表示，其能助于我们发现与人类加速器完全不一样的加速机制方式，这将会对未来加速器的建造有一定的指导意义。“我们不能‘靠天吃饭’，就算知道了远方已经有这样一个能级的加速器，我们也需要研究出自己的，将其牢牢掌控于手中。”
同时，有助于基础物理的研究探索。“如果是从直接造福人类的角度看，有这么高效的加速器的话，也许能应用在更小型化的癌症以及医疗诊断设备或手段中。”曹臻表示。
但他还有更深远的考量。“目前我们所知晓运用的基本理论，都是在现有的条件或接受范围之内。那如果未来出现了变化或者极端条件，理论是否有改变呢？宇宙加速器就是处于一个极端条件之中，通过研究它，也许我们能够触摸到更前沿的东西。”
知道一下
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。
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