对话LHAASO首席科学家曹臻：千年之后，金牛座传来什么讯息？

公元1054年7月4日，我国北宋仁宗至和元年的五月二十六日，大约天亮时分，开封府东南方向的天空中出现了一颗极亮的大星，因其出现在天关（即金牛座）位置，宋代司天监的天文研究者们称其为“天关客星”。这一天文事件被多部史书记载了下来——

据《宋史·天文志·第九》，这颗星于“至和元年五月己丑，出天关东南可数寸，岁余稍没”；《宋会要》记载：“嘉祐元年三月，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，芒角四出，色赤白，凡见二十三日”。

这是 历史 上最早记载恒星爆炸的文字，也即当今天文学界非常著名的蟹状星云的前身恒星初始爆炸时候的情景。尽管其距离在地球6500光年远的地方，人们在地球上的白天，仍能看到它的光亮。

距离蟹状星云爆炸后967年，近日，地球再次收到从金牛座传回的“讯息”——

同时，这次观测还记录到能量达11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，加速能量达到了人工加速器产生的电子束的能量（欧洲核子研究中心大型正负电子对撞机LEP）两万倍左右，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。此次观测结果是基于LHAASO 1/2 阵地和 3/4 阵地过去14个月观测的成果，已于今日（7月9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。

在成果发布前夕，中国科学院高能所研究员、高海拔宇宙线观测站首席科学家曹臻专程从北京飞到成都，接受一众媒体采访。“这是在四川发现的成果，一定要在四川讲出来！”他说。

此次研究发现意义何在？LHAASO的科学目标是什么？

曹臻

为超高能区标准烛光设定亮度标准

“这把尺子，被我们中国人找到了！”

红星新闻： 此次成果除了观测到11拍电子伏光子，还实现了前所未有的超高能区（03-11拍电子伏）的精确测量，其意义何在？

曹臻： 除了带来其自身对物理理解的理论模型外，蟹状星云还有一个更为重要的功能，即为该能区标准烛光设定了亮度标准。在最高能段的标准里，在LHAASO之前，没有任何手段可以检测。也就是说，LHAASO开辟了全新的未知领域，且制定了这个领域的实验调查发展的标准。

打个比喻，就像提供了一把标准计量的尺子，将来此类实验，都要以此来检测探测器的测量是否准确。而这把尺子，被我们中国人找到了！

红星新闻： 什么是标准烛光？

曹臻： 目前北半球只有蟹状星云一个标准烛光，标准烛光应用在天文观测上，其作用有2个：位置和亮度。

具体来说，天文望远镜要精准测量一个星体的具体位置，就要用蟹状星云来表明探测器方位。

从亮度来说，在万亿亿倍的范围上，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，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。如果落在能量范围内的光子在此次制定的物理模型范围内，就证明亮度测对了。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO） 图据高能所

红星新闻： 您所提到的“星云核心区内存在能力超强的电子加速器，加速能量达到了人工加速器产生的电子束的能量两万倍左右”，此发现意义何在？未来可运用在哪些领域？

曹臻：除了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，未来我们还可能找到和人类制造的地面加速器完全不一样的加速机制和方式，对未来地面加速器的 设计和建造有重大指导意义。

此次研究成果主要用于基础物理的研究 探索 。未来如果我们能造出更高效率的加速器，这些加速器就可用于癌症治疗和诊断等领域。比如，现在的加速器只在大型医院使用，未来这些设备可能更加小型化，在一些小医院里就可以使用。

红星新闻： 这次的发现也是“千年等一回”，为何距离上一次重大发现，中间隔了那么长时间？

曹臻： 科技 发展是主要因素。古代只能用肉眼观看，现在有各种各样的波段测量仪器和手段，从贵州的500米口径球面射电望远镜（FAST）到LHAASO，其中覆盖的能量范围是 万亿亿倍，包括射电、红外、光学、紫外、X射线和伽马射线波段，LHAASO还覆盖了更高能量的波段。

此外，蟹状星云爆炸后的遗迹星云至今的辐射也比太阳大，爆炸后形成的中子星直径约25公里，以每秒30圈的速度急速旋转着，整个星体至今仍以每秒1000~1500公里的速度扩张着。经过近一千年左右的扩展，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并产生我们看到的星云。

要注意的是，尽管蟹状星云在不断扩大，但它的大小实际上只有0005度，我们在地球上以6500光年的距离看它，肉眼依然分辨不出，只有通过天文望远镜才能看到它的面貌。

红星新闻： 那我们是否会和贵州的FAST进行合作？

曹臻： 当然！我们前面提到，FAST到LHAASO，其中覆盖的能量范围是 万亿亿倍，FAST正好是最低的一段，LHAASO是最高的一段，要对此现象进行一个完整深入研究，一定要开展多波段的综合统一研究。在多波段研究中，我们已经和FAST提出多个源的观测申请。最终目的，是通过研究这些特殊的天体，找到宇宙线起源，搞清楚起源的机制是什么。从科学上来讲，这也是我们最终要实现的目标。

高海拔宇宙线观测站（LHAASO） 图据高能所

LHAASO今年8月正式投运

“将有更多激动人心的科学突破”

红星新闻： 时隔近一千年，蟹状星云再次被我们中国人、被四川的科学观测站捕捉到了，对此您有何感受？

曹臻： 肯定很自豪。在天文 历史 中，蟹状星云有很多个“第一”，但这一次的“第一”不太一样，因为我们所观测到的11拍电子伏，可能是能观测到的最高能量段，是一个全新的未知领域。在LHAASO建造前，欧洲和美国主流的伽马光子的探测是天文望远镜，其能捕捉到的 最高能量为01个拍电子伏。在过去二、三十年中，发表在《科学》上的，都是几十个零点零几拍电子伏的观测。原因是随着能量升高，电子强度越来越低，如果没有像LHAASO这样高灵敏度的大型探测器，是无法将其捕捉的。这也是此次统计数据尤为重要的原因。

NASA发布的蟹状星云中心，中心有最明亮的一颗中子星。图源/IC photo

同时，LHAASO可能在未来十年乃至二十年内，都是一个国际领先的大科学装置。可以看到，中国人在科学上的贡献，已经变得越来越重要。

红星新闻： 上一次发布LHAASO观测到的成果是5月17日，不到两个月时间，我们就发布了2次重大成果，对于这个频率您如何看？

曹臻： 无论是速度还是更高能量级的发现，都大大超出了我们的预期。值得一提的是，LHAASO是一个非常综合性的探测装置， 它一共 有4种探测器， 这4种探测器对于宇宙线的现象，从不同角度立体地进行观测，因此它提供了一个非常丰富的宇宙线的知识测量。除了研究基础物理的内容以外，它还可以研究气象、雷电、太阳活动等等，这些领域的研究也正在逐渐开展。

红星新闻： 能否介绍下LHAASO的建设节点和未来三五年的中远期规划？

曹臻： 目前LHAASO阵列 探测器的安装已全部结束，已进入探测器调试的最后阶段，预计今年7月底可以达到完全观测的条件，8月正式投入运营，年底前完成验收。

LHAASO的未来规划依然是天文观测。目前我们已经发现有12个宇宙线起源的候选天体，未来几年，我们会像此次发布的蟹状星云成果一样，对 这些源去做深入研究。LHAASO的潜力巨大，目前我们的成果仅仅是冰山一角，一旦阵列正式运行，可以预见的是，未来将有更多激动人心的科学突破。

编辑 陈怡西

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金牛座，天文符号：♉。面积79725平方度，占全天面积的1933%，在全天88个星座中，面积排行第十七。金牛座中亮于55等的恒星有98颗，最亮星为毕宿五（金牛座α），视星等为085。每年11月30日子夜金牛座中心经过上中天。金牛座也是著名的黄道十二星座之一，而毕宿五就位于黄道附近，它和同样处在黄道附近的狮子座的轩辕十四、天蝎座的心宿二、南鱼座的北落师门等四颗亮星，在天球上各相差大约90°，正好每个季节一颗，它们被合称为黄道带的“四大天王”。

　　金牛座的毕宿亮星排列称V字形结构，又称为金牛座V字，其中橙红色的毕宿五是天空上少数的一等星之一，它和双子座的北河三、御夫座的五车二、小犬座的南河三、大犬座的天狼星、猎户座的参宿七共同组成冬季六边形。

　　传统上代表牛角之一的五车五是金牛座与御夫座共同拥有的。金牛座肉眼可以看到两个疏散星团：昴星团和毕星团。

　　金牛座中最有名的天体，就是“两星团加一星云”。连接猎户座γ星和毕宿五，向西北方延长一倍左右的距离，有一个著名的疏散星团——昴星团。眼力好的人，可以看到这个星团中的七颗亮星，所以我国古代又称它为“七簇星”。昴星团距离我们417光年，它的直径达13光年，用大型望远镜观察， 可以发现昴星团的成员有280多颗星。另一个疏散星团叫毕星团，它是一个移动星团就位于毕宿五附近，但毕宿五并不是它的成员。毕星团距离我们143光年，是离我们最近的星团了。毕星团用肉眼可以看到5、6颗星，实际上它的成员大约有300颗。

因为这个星云的形状有点像螃蟹被取名为蟹状星云。这个星云是在1731年被英国的一位天文爱好者比维斯发现的。

根据中国历史记载，在现在蟹状星云的那个位置上，曾经有过超新星爆发，那就是1054年7月出现的、特亮的金牛座“天关客星”。它爆发过程中抛射出来的气体云，就应该是现在看到的蟹状星云。1921年，美国科学家把两批相隔12年的蟹状星云照片进行了仔细和反复的比较之后，确认星云的椭圆形外壳仍在高速膨胀，速度达到每秒1300千米。1942年，荷兰天文学家奥尔特以其令人信服的论证，确认蟹状星云就是1054年超新星爆发后形成的。

蟹状星云在金牛座，近代研究脉冲星时发现的，当时推算应该在公元1054年前后爆发，后在世界范围内查询史籍，结果在中国的史书中发现有记录。但是后来据说在另一国家的书中也有记载（记不得了）。据载，当时白天可见，并且持续了二十天左右白天可见。当然这是从地球上看见它爆发的时间。形成蟹状的时间在十八十九世纪了吧。当然它的光照到地球上又过了N光年（自己可查距地球的距离）。

900多年前，有一次非常著名的超新星爆发事件，当时北宋王朝的天文学家做了详细的记载。据史书称：爆发出现在宋仁宗至和元年五月（即1054年5月），在开始的23天中这颗超新星非常之亮，白天也能在天空中看到它，随后逐渐变暗，直到嘉佑元年三月（公元1056 年3月），才不能为肉眼所见，前后历时22个月（这次爆发的残骸形成了著名的金牛座中的星云，叫做蟹状星云）。

《宋会要》卷五十二中记载：至和元年七月二十二日，守将作监致仕杨维德言：伏睹客星出现，其星上微有光彩，**。谨案《黄帝掌握占》云：客星不犯毕，明盛者，主国有大贤。乞付史馆，容百官称贺。诏送史馆。嘉祐元年三月，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，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。

蟹状星云与北宋天文记载

宋朝百姓甲：你们还记得真庙在的时候，那天的大星吗？

宋朝百姓乙：记得记得，当时说是有大吉。我但是还是个孩童，记得是四月。

宋朝百姓甲：是啊，是啊。也不知这次东南天的大星，什么意思。

宋朝百姓乙：你没听说，朝廷说了，说是要出为大贤。

宋朝百姓丙：我也听说了，你们想现在的官家不就是位仁义的人？官家就是大贤。

宋朝百姓甲乙：的确。

……

古老的文字记载直至现在我们都能看到它的痕迹，我感觉是很神奇的一件事。

1、宋仁宗至和元年的五月己丑（公元1054年7月4日），在金牛座ζ星东北面，距地球约6500光年远的地方，有一颗超新星爆发。

2、当时宋朝一位名叫杨惟德的天文官员，向皇帝奏报了天空中出现了一颗“客星”。

3、1771年法国天文学家梅西耶在制作著名的“星云星团（M）表”时，把第一号的位置，留给了蟹状星云，编号为M1。

4、1892年美国天文学家拍下了蟹状星云的第一张照片，30年后天文学家在对比蟹状星云以往的照片时，发现它在不断扩张，速度高达1100公里/秒。于是科学家推测：在900多年前，蟹状星云很可能只有一颗恒星的大小。

5、1928年美国天文学家哈勃首次把它与超新星拉上了关系，认为蟹状星云是公元1054年超新星爆发后留下的遗迹。

6、在西方的史料中，没有找到相关的任何记录

7、但在中国的史料中，却找到了很多有关1054年曾有过超新星剧烈爆发的珍贵记录资料。

8、1942年，荷兰天文学家奥尔特以其令人信服的论证，确认蟹状星云就是1054年超新星爆发后形成的。

很凑巧的是，这个星云的位置与曾经的“不速之客”天关客星出现的位置相同。最后，经过激烈的讨论，科学家们得出了蟹状星云正是曾经的天关客星。

参考文献

刘金沂（笔名钟天成） 蟹状星云和1054年超新星[J] 科学实验, 1975(11)

刘金沂 1054年超新星位置的新证据[J] 科学技术史, 1984

席泽宗 蟹状星云与中国客星[J] 科学中国人, 1997(007):11-13

根据中国历史记载，在现在蟹状星云的那个位置上，曾经有过超新星爆发，那就是1054年7月4日（宋仁宗至和元年的五月己丑）大约寅时出现的、特亮的天关星“天关客星”。

天关客星

中国宋朝司天监对那次爆发作出过观测，史料中有以下记载：

“己丑，客星出天关之东南可数寸。嘉祐元年三月乃没。”见：李焘，《续资治通鉴长编》（北京：中华书局，2004二版），卷176，页4263）

《宋史·天文志-第九》：“至和元年五月己丑，出天关东南可数寸，岁余稍没。”

《宋史·仁宗本纪》：“（嘉佑元年三月）辛未，司天监言：自至和元年五月，客星晨出东方，守天关，至是没。”

《宋会要》：“嘉佑元年三月，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。昼如太白，芒角四出，色赤白，凡见二十三日。”

日本《明月记》：“天喜二年四月中旬以后，丑时客星出觜参度，见东方，孛天关星，大如岁星。”

总括以上文字，可得知在“宋至和元年五月己丑”（即1054年7月4日）开始，有“客星”出现在天关（即金牛座ζ星）附近，星的颜色是赤白。在最初的23天，即使在白昼，其光度如“太白”（即金星）。直至一年多后的“嘉祐元年三月辛未”（即1056年4月5日）才消失不见。

这个客星真是一个“不速之客”，来了就不走。在23天的时间里，像太白金星一样亮，白天都可以看到，即所谓“昼见如太白”“凡见二十三日”。客星看不到的日期是1056年4月6日，距离客星出现的日期1054年7月4日已经整整过了643天。在这将近两年的时间里，只要能看到客星。司天监的人员总是坚持不懈地进行观测，他们详细地记录了客星的位置、颜色和亮度变化。这些详细的观测资料虽然大部分已经遗失，但仅是这流传下来的简短记载，已经使后人敬佩不已了。