蟹狀星雲——高能宇宙中的燈塔

大概在7500年前，由於耗盡了可用的能量，一顆距離地球有6千多光年的大質量恆星壽終正寢，發生了超新星爆炸。這次爆發事件產生的可見光經過近6500年的傳播後到達地球，並被當時的人們記錄了下來。其爆發殘骸又經過了約1000年的演化，形成了我們今天所看到的「蟹狀星雲」，即本文的主角、高能天文的標準燭光、也是被天文學家廣為研究的天體之一（圖1）。

圖1：蟹狀星雲多波段合成圖

歷史回顧

我國北宋時期，仁宗至和元年五月己丑（即公元1054年7月4日）的黎明前後，開封司天監的觀察者發現，在東方的天關（即金牛座ζ）附近突然出現了一顆明亮的大星，其亮度比金星還要亮幾倍，僅次於太陽和月亮（圖2）。約23天後其亮度開始變弱，至消失不見持續了約兩年的時間。由於出現在天關附近，宋代的天文學家稱其為「天關客星」，且司天監官員楊惟德向朝廷報告了此事。同時一些史學家也將其記錄到史書中，目前能在《宋史·天文志-第九》、《宋史·仁宗本紀》、《宋會要》、《續資治通鑑》中找到相關記載。如《宋會要》中記載：「嘉祐元年三月，司天監言：『客星沒，客去之兆也』。初，至和元年五月，晨出東方，守天關，晝見如太白，芒角四出，色赤白，凡見二十三日」（圖3）。

圖2：天關客星出現時的夜空星象（Stellarium軟體模擬）

圖3：宋史中的記載

同一時期，其他國家、地區的天文學家也觀察到了這一現象，比如日本和阿拉伯的古書中就明確記載了這一事件。而美國西南部的原住民也可能記錄下來了這一奇異的天文現象。在中國司天監的觀察者進行觀測的第二天，在新發現的這個明亮天體（也就是現在所說的蟹狀星雲）附近可以看到新月形月亮。歷史學家認為在美國新墨西哥州查科峽谷發現的某些象形文字可能描述了對這一事件的觀察（圖4）。

圖4：查科峽谷發現的象形文字

得益於天文望遠鏡的發明，天關客星在消失了幾百年後，換了一種姿態再次出現在人們的視野。1731年，英國醫生、天文愛好者拜維斯（Bevis）首先在「天關客星」的方位發現了一團氣體雲。隨後的一兩百年間，有不少天文學家和愛好者都對這團氣體雲進行了大量觀測。如法國天文學家、彗星愛好者查爾斯·梅西耶（Charles Messier）還把它編制到了他的「星雲星團表」中，編號為M1。1844年Rosse用口徑為0.9米的望遠鏡觀測了這團氣體並繪製了如下的圖形（圖5）。因為這團氣體看起來像螃蟹（Crab），Rosse又把它稱作蟹狀星雲，這也是這個星雲名字的由來。

圖5：Rosse於1844年繪製的蟹狀星雲

當時大家都還沒有把這團氣體雲和天關客星聯繫起來。直到1928年，美國天文學家哈勃（Hubble）提出蟹狀星雲是超新星爆發之後形成的，並基於前人的觀測資料，計算出蟹狀星雲的年齡在900年左右[2]。這和公元1054年天關客星出現的時間非常接近，這樣蟹狀星雲和天關客星才被人們聯繫了起來。1942年，荷蘭天文學家奧爾特（Oort）和其學生發表了兩篇論文，論證了蟹狀星雲就是1054年超新星爆發後形成的[3，4]。

今天人們已普遍接受蟹狀星雲就是天關客星的殘骸，成為9個歷史上有記載的超新星的遺蹟之一。也正因為如此，再加上它自身在電磁波的各個波段都有很強的輻射，天文學家在各個波段對蟹狀星雲進行了大量的觀測研究（見圖1）。

蟹狀星雲的形成

通過現代天文觀測和有關理論研究，人們已經確定蟹狀星雲起源於核塌縮型（即Ⅱ型）超新星爆發，其前身星是一顆8-12倍太陽質量的大質量恆星。通常這類大質量恆星爆發時，會猛烈地向周圍星際空間拋射大量的物質，其初始速度高達幾萬公裡每秒。想想第一宇宙速度才7.9公裡每秒，而人類目前讓宏觀物體達到的最大速度即美國的太陽神號探測器的速度也就70公裡每秒。這些拋射物攜帶了巨大動能，典型值為1051爾格。這些物質和周圍星際介質作用形成殼層狀的激波結構，並在電磁波的不同波長發出輻射，這就是所謂的超新星遺蹟。

另一方面，在爆發的中心會殘留一顆密度異常高的中子星（更大質量恆星的爆發時塌縮成黑洞）。有些中子星會快速旋轉並從兩極產生定向的輻射,觀測上就表現為類似燈塔的脈衝星。蟹狀星雲中心就有一個轉動周期為33毫秒的脈衝星（編號為PSR B0531+21），即一秒鐘能轉約30圈。脈衝星通常有強磁場，通過驅動極端相對論性的星風逐步釋放其轉動能，這些星風和介質、拋射物作用後也能產生電磁輻射，形成脈衝星風雲。這種超新星遺蹟殼層包含脈衝星風雲的系統稱為混合型超新星遺蹟（圖6）。

圖6：左，混合型超新星實例；右，混合型超新星形成示意圖[5]

實際觀測表明，蟹狀星雲沒有明顯的和激波對應的殼層結構，因而歷史上被劃分為實心型超新星遺蹟。即中心明亮，沒有殼層結構的超新星遺蹟，也就是脈衝星風雲。其輻射能量主要來源是中心的脈衝星，而不是超新星爆發時注入給拋射物的動能。當然，蟹狀星雲也有超新星遺蹟的特徵，其光學波段輻射主要就來自電離後的拋射物。但總的來說，把蟹狀星雲看做脈衝星風雲更能體現它的多波段輻射特性。

伽馬射線天文的標杆

蟹狀星雲是最早被發現的能產生伽馬射線的天體之一。經過人們的長期觀測，發現蟹狀星雲的伽馬射線流量很穩定，因而被作為標準源，可以用來給伽馬射線望遠鏡的探測效率進行定標，其流強也作為高能天體輻射流量的基本單位。Fermi伽瑪射線衛星的觀測表明在GeV（109eV）能段其有持續幾天的耀發現象（當然，沒有耀發時，其流量還是比較穩定的）[6]。耀發期間流強變化沒有周期性，流量能增加幾十倍，這表明蟹狀星雲內部並不是靜態的。耀發時的輻射能譜表明電子可以被迅速加速到PeV（1015eV）的能量！其中的加速機制還是未解之謎。

進入新世紀後，得益於新一代伽馬射線望遠鏡的建造，一大批新的伽馬射線源被發現，伽馬射線天文也因此飛速發展。目前為止，在我們的銀河系內，認證數目最多GeV伽馬射線源為脈衝星；而在TeV（1TeV=1000 GeV）能量段，認證最多的為脈衝星風雲。這兩類伽馬射線源都和本文的主角相關。不僅如此，蟹狀星雲還保持了兩項紀錄！

首先，蟹狀星雲中心的脈衝星有著最高能量的脈衝輻射。和地球一樣，脈衝星的磁軸和自轉軸也存在偏離，只有當磁軸朝向地球時，才能看到脈衝星的輻射（圖7）。因此，我們監測到的信號就像心電圖脈動一樣，有一個一個的突刺，突刺間隔就是脈衝星的自轉周期。一般的脈衝星輻射的光子能量到幾個GeV就截止了，但蟹狀星雲的脈衝星能輻射TeV能量的光子，這刷新了人們的認知。

圖7：脈衝星藝術圖 |

其次，2019年，天文學家通過中日合作空氣簇射（ASγ）宇宙線實驗，首次在蟹狀星雲探測到了100 TeV以上的光子，最高能的光子可以達到470 TeV。ASγ陣列在65700平方米的區域均勻布置了597個塑料探測器，用於探測高能粒子產生的大氣簇射（Air Shower）內的電磁粒子。謬子探測器陣列在地下，由64個Cherenkov型水探測器組成（圖8）。

圖8：西藏羊八井ASγ實驗表面陣列

因為繆子具有穿透土壤並進入地下探測器的能力，因此人們用這個特性作為將繆子與其他顆粒分離的有效方法。正是利用這種繆子的鑑別方法，ASγ才能把光子產生的大氣簇射和帶電原子核產生的簇射有效地區分開來（圖9：對於給定能量，宇宙射線產生的繆子比光子Air Shower中的繆子數要多得多），實現人類目前對最高能光子的探測。

圖9：光子（左）和宇宙射線（右）產生的大氣簇射

不過這一紀錄應該很快就能被打破。位於四川稻城的新一代望遠鏡陣列—高海拔宇宙線觀測站（圖10，11：LHAASO）—正在有條不紊地建設中，目前已建設完成一半陣列，且在1/4陣列時就已經開始收集數據。LHAASO有5195個電磁粒子探測器和1171個繆子探測器，相比ASγ電磁信號的收集區域已擴大了20倍，繆子的檢測區域也擴大了400倍。LHAASO因此具有更好的探測靈敏度，能探測光子能量的上限也大大提高。相信LHAASO會帶給我們更多的驚喜，加深我們對高能天體物理的認知。

圖10：高海拔宇宙線觀測站的探測原理圖

圖11：高海拔宇宙線觀測站實拍 |

作者簡介

張瀟，南京大學天文和空間學院 特別研究助理，研究方向：超新星遺蹟。

謝妤昕，美國Phillips Academy Andover高中生，紫金山天文臺實習，指導老師：劉四明研究員。