蟹状星云的电子发射器非常强大，几乎不应该存在

从 20 世纪 60 年代到 21 世纪，斯坦福线性加速器中心 (SLAC) 的物理学家们将电子以他们所能聚集的最大能量抛向相关粒子。研究人员窥视亚原子粒子内部，发现了两种基本粒子，并因此获得了三项诺贝尔奖。两英里长的加速器向电子注入的能量（以粒子物理学的特殊单位表示）达到数百亿“电子伏特”，这是一项无与伦比的工程壮举。

现在天体物理学家们利用另一种极端机器发现了一种天然的电子火箭筒，它让 SLAC 看起来像一把豌豆射手。

在过去一年左右的时间里，中国西南部山区的一座巨型设施探测到两束粒子，它们都是由一束高能光束（伽马射线）撞击高层大气产生的。两束伽马射线似乎都来自蟹状星云，这表明这颗著名的超新星遗迹中隐藏着迄今为止发现的最强大的电子加速器。伽马射线携带的能量水平——数百万亿电子伏特，或“千兆电子伏特 (PeV)”——挑战了理论家们认为不可能达到的水平。

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“几十年来，我们一直梦想着探测到 0.1 千兆电子伏特的事件，”都柏林高等研究院天体物理学家、此次探测合作小组成员 Felix Aharonian 说道。“没人会想到会探测到 1 千兆电子伏特的伽马射线。”

未来感十足的设施

当超新星等天然加速器发射电子时，带电粒子会沿着环状和混乱的路径穿过宇宙的众多磁场，从而隐藏它们的来源。但是，当一个这样的粒子在发射后不久撞上无处不在的微波时，碰撞会释放出直线飞行的伽马射线闪光。寻找这些星际使者产生的粒子流是大型高海拔空气流观测站 (LHAASO) 的任务之一。

LHASSO 位于中国四川省海子山，海拔近三英里。它在那里寻找成千上万的电子和其他粒子，以及宇宙射线或伽马射线撞击地球大气层时释放的碎片。该设施拥有多种类型的探测器，地上和地下总面积超过一平方公里，比之前的领先仪器大十倍。

地面上的 5,000 多个探测器监测宇宙射线和伽马射线撞击后降落的粒子群，而地下的 1,000 多个探测器只探测介子。这些质量很大的电子“表亲”经常在宇宙射线流中出现（但在伽马射线流中出现的频率较低），这使得研究人员可以排除它们，只关注伽马射线撞击，其精度是其他地面仪器无法比拟的。

“人们称其为现在正在运营的未来设施，” 阿哈罗尼安说道。

两束令人目眩的伽马射线

直到最近，LHAASO 才开始建设。天文学家在调试新望远镜时，通常要做的第一件事就是观察蟹状星云——这是中国天文学家于 1054 年发现的超新星遗迹，也是天空中研究最透彻的物体之一。“它是天空中的超级巨星，”阿哈罗尼安说。“有时我们称它为标准烛光。”

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蟹状星云每天经过 LHAASO 上方约七个小时，因此在合作项目加紧运作的同时，在该设施工作的科学家花费了数千小时观察它。一切似乎都应有尽有——除了两个意外。

去年 1 月 11 日，近 5,000 个入射粒子点亮了大约 400 个表面探测器，只有几个μ子到达地下的传感器——您可能认为这是 0.9 PeV 伽马射线撞击大气层后产生的级联。

今年 1 月 4 日，蟹状星云再次爆发，这次发出的伽马射线更加强大，能量约为 1.1 PeV。当时，该光子是地球上有史以来记录到的能量最高的光线（LHAASO 此后记录到来自完全不同类型光源的 1.4 PeV 伽马射线）。该合作小组昨天在《科学》杂志上描述了他们的发现。

抛开记录不谈，真正让研究人员感兴趣的并不是光线本身，而是最初将闪光直冲地球的高速电子，以及能够将电子加速到前所未闻的能量的巨大宇宙硬件。

“1 PeV 真是一个惊喜，”阿哈罗尼安说。“我们知道蟹状星云是一种转换能量和加速粒子的超高效机器。但现在我们发现，即使是‘超高效’也可能有点太低了。”

高效装置

那么蟹状星云是如何喷出如此活跃的电子的呢？天体物理学家有一个大致的想法。

云团中心是一颗脉冲星，即一颗直径 18 英里的中子星，每秒旋转约 30 次。从这个旋转的恒星外壳中，电子和它们的反物质伙伴组成的“风”以相当可观的光速百分比向外吹出。最终，这股电子风猛烈撞击周围的尘埃云，发出电子和其他粒子的冲击波（其中一些会发射 LHAASO 探测到的伽马射线光子）。

根据阿哈罗尼安的说法，挑战在于了解最后阶段：风如何以足够的力量将电子抛出以产生 1 PeV 伽马射线。必须有一个强大的局部磁场才能使电子飞速移动，但更强大的磁场也会导致电子在穿过时释放更多粒子（造成一种拖拽过程，工程师在建造像 SLAC 这样的地球加速器时一直在努力将其最小化）。

尽管如此，蟹状星云脉冲星还是设法将其电子风中几乎每一点能量都传递给了去年向 LHAASO 发射伽马射线的两个电子。根据 LHASSO 的观测，该脉冲星每秒发射的 PeV 电子数量可能足够多，以至于这些粒子本身就携带了相当于整个太阳在所有波长范围内辐射的能量。天体物理学家们对如此多的能量如何进入最活跃的电子感到困惑。

“这处于现实的边缘，”阿哈罗尼安说。“这不可能是简单的冲击加速。这应该是某种特殊现象。”

LHAASO 在建造期间就发现了这两条超高能光线（以及一束稍弱的光子），当时它只发挥了一半的潜力。现在，该设施已经达到了最高灵敏度，这项合作期待至少在未来十年内收集更多关于蟹状星云能力的详细信息。

“几年后我们就会了解很多，我认为惊喜可能会出现，”阿哈罗尼安说。

2021 年 7 月 13 日更正：本文的先前版本错误地陈述了加速电子如何产生伽马射线。它们必须穿过微波，而不是气体云。