从20世纪60年代到21世纪初，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达到的最大能量轰击相关粒子。研究人员深入探究了亚原子粒子，发现了两种基本粒子，并因此赢得了三项诺贝尔奖。这个长达两英里的加速器将电子注入了能量（以粒子物理学的独特单位计算）高达数百亿“电子伏特”的能量，这是一项工程壮举，无与伦比。
如今，天体物理学家们使用另一台极端机器，发现了一个天然的电子“加农炮”，与它相比，SLAC简直像个玩具枪。
在过去一年左右的时间里，中国西南部山区的一座庞大设施探测到了两次粒子簇射，每一次都由一束高能光——伽马射线——撞击高层大气产生的。这两束伽马射线似乎都起源于蟹状星云，这表明这个著名的超新星遗迹是迄今为止已识别出的最强大的电子加速器。这些伽马射线携带的能量——数千万亿电子伏特，或称为“拍电子伏特（PeV）”——挑战了理论家们原以为的可能性。
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“几十年来，我们梦想着探测到一次0.1拍电子伏特的事件，”德布林高等研究院的天体物理学家、参与此次探测的合作组织成员费利克斯·哈罗尼安说。“没有人预料到会探测到1拍电子伏特的伽马射线。”
一座未来主义的设施
当超新星这样的天然加速器喷射出电子时，这些带电粒子会在宇宙的许多磁场中沿着弯曲而混乱的路径运动，从而隐藏了它们的起源。但当其中一个粒子在被发射后不久撞上无处不在的微波时，碰撞就会产生一个直接飞行的伽马射线闪光。寻找这些星际信使产生的粒子簇射是高能大气簇射望远镜（LHAASO）的任务之一。
LHAASO位于中国四川省海子山，海拔近三英里。在那里，它探测由宇宙射线或伽马射线撞击地球大气层产生的数千个电子和其他粒子的级联。该设施拥有多种探测器，总面积超过一平方公里，包括地面和地下部分，比以前领先的仪器大十倍。
地面上的超过5000个探测器观测宇宙射线和伽马射线撞击后落下的粒子集合，而地下的一千多个探测器则只探测μ介子。这些带电荷的电子“表亲”在宇宙射线簇射中（在伽马射线簇射中频率较低）经常出现，这使得研究人员可以排除它们，并以地球上任何其他仪器都无法比拟的精度专注于伽马射线事件。
“人们称它为一座正在运行的未来设施，”哈罗尼安说。
两道耀眼的伽马射线
直到最近，LHAASO还在建设中。天文学家在新望远镜调试过程中，通常会做的第一件事就是观测蟹状星云——这是中国人于1054年发现的一颗超新星的残骸，也是天空中研究最透彻的天体之一。“它是天空中最耀眼的明星，”哈罗尼安说。“有时我们称它为‘标准烛光’。”
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蟹状星云每天约有七个小时会经过LHAASO的上空，因此在合作组织准备就绪之际，在设施工作的科学家们花费了数千小时对其进行观测。一切似乎都按部就班——除了两个意外。
去年1月11日，近5000个入射粒子点亮了约400个地面探测器，只有少数μ介子到达地下传感器——这可能是在大气层中发生0.9拍电子伏特伽马射线撞击时产生的簇射。
今年1月4日，蟹状星云再次爆发，这次是一束更强大的伽马射线，能量约为1.1拍电子伏特。当时，这束光子是地球上记录到的最高能量的光线（LHAASO此后已从一种完全不同的来源记录到一束1.4拍电子伏特的伽马射线）。该合作组织昨天在《科学》杂志上公布了他们的发现。
抛开记录不谈，真正令研究人员着迷的不是光线本身，而是最初将光闪直接射向地球的快速电子——以及能够将电子加速到如此前所未闻能量的庞大宇宙硬件。
“1拍电子伏特是一个真正的惊喜，”哈罗尼安说。“我们知道蟹状星云是一个非常高效的能量转换和粒子加速机器。但现在我们发现，即使是‘超级’可能也有些保守了。”
一个高效的装置
那么，蟹状星云是如何喷射出如此快速的电子的呢？天体物理学家对此有一个大致的了解。
星云的中心是一个脉冲星——一颗直径18英里的中子星，每秒旋转约30次。从这个旋转的恒星残骸中，“风”以接近光速的速度向外吹出电子及其反物质伴侣。最终，这股电子风撞击周围的尘埃云，产生一个由电子和其他粒子组成的冲击波（其中一些会发射出LHAASO探测到的伽马射线光子）。
根据哈罗尼安的说法，挑战在于理解最后阶段：风如何将电子加速到足以产生1拍电子伏特伽马射线的能量。一个强大的局部磁场一定在起作用，才能使电子加速，但更强的磁场也会导致电子在通过时释放更多粒子（这会导致一种“阻力过程”，工程师在建造SLAC这样的地面加速器时一直在努力将其最小化）。
尽管如此，蟹状星云的脉冲星似乎设法将它电子风中的几乎所有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，脉冲星每秒可能发射出足够多的拍电子伏特电子，以至于这些粒子本身携带的能量相当于我们整个太阳在所有波长上辐射的能量。天体物理学家们对如此大的能量如何注入最快的电子感到困惑。
“这已经接近现实的极限了，”哈罗尼安说。“这不可能是简单的激波加速。这一定是某种特殊的东西。”
LHAASO在建设期间，以大约一半的潜力运行时，就发现了这两束超高能光线（以及一堆能量稍低的光子）。现在该设施已达到全灵敏度，合作组织期待着至少十年时间内收集更多关于蟹状星云能力细节的数据。
“几年后，我们会了解很多，我认为还会有惊喜出现，”哈罗尼安说。
更正于2021年7月13日：本文的先前版本错误地说明了加速电子产生伽马射线的方式。它们必须穿过微波，而不是气体云。
