李菂，清华大学讲席教授、FAST原首席科学家。组织领导了FAST早期科学规划，提出了世界首创的多科学目标同时巡天模式，数倍提高巡天效率。完成重要天文发现包括星际分子氧气；最大快速射电暴样本；命名了中性氢窄线自吸收方法等；曾因领导最灵敏射电望远镜的科学规划，创新刻画动态宇宙等方面的开创性贡献荣获“马塞尔·格罗斯曼奖”。宇宙魅力无限，超越人类认知极限。不久前发布的《国家空间科学中长期发展规划》将“极端宇宙”列为有望取得突破的五大科学主题之首，彰显了这一领域的非凡价值与探索潜力。回溯至20世纪初，普朗克对黑体辐射，尤其是恒星光谱的深刻洞察，促使他引入了普朗克常数，这一里程碑式的发现开启了100多年来关于量子宇宙的全新物理探索。而今，极端宇宙现象正以前所未有的姿态挑战着基础天文学乃至基础物理学的认知极限。
在极端宇宙的探索征途上，我国拥有诸如LHAASO、中国天眼FAST、爱因斯坦探针EP等一系列国家级科研重器，为国内外天文与天体物理学者搭建了友好的研究平台。近期，国产期刊Science Bulletin刊载了一系列关于极端宇宙射线、极端宇宙爆发、极端宇宙天体的重要论文，涉及新的现象、新的分析框架、新理论预言，展示了极端宇宙领域研究的活跃性。
LHAASO Collaboration
ScienceBulletin 2024; 69(18): 2833–2841
超新星遗迹(SNR)长期被视为银河系宇宙线的主要来源, 其加速能力的极限仍是未解之谜. LHAASO实验针对具有明确宇宙线-分子云相互作用证据的SNR W51C, 进行了伽马射线观测, 测量能量范围达到200 TeV, 比此前实验精度提高一个量级, 并首次观测到SNR的超高能伽马信号. 结合低能实验数据, 研究表明W51C的伽马能谱(跨越6个能量数量级)可通过强子相互作用模型统一解释. 能谱在数十TeV处的弯曲可能标志着SNR加速宇宙线能力的上限, 估计接近PeV, 对现有模型构成挑战.此外, 邻近恒星形成区的大质量星团可能对超高能伽马射线有贡献.
Yong-Kun Zhang, Di Li, Yi Feng, Pei Wang, Chen-Hui Niu, ShiDai, Ju-Mei Yao, Chao-Wei Tsai
Science Bulletin 2024; 69(8): 1020–1026快速射电暴(FRB)是宇宙中最明亮的射电波段爆发, 其起源尚不明确. 本文通过引入“Pincus指数”和“最大Lyapunov指数”, 量化FRB事件的随机性和混沌性, 并将其与脉冲星、地震和太阳耀斑等常见瞬变现象进行比较. 结果显示, 重复FRB的爆发行为在时间-能量相空间中表现出显著的随机性和较低的混沌性, 明显区别于其他瞬变现象. 此外, 爆发等待时间与能量变化无关, 表现出完全不可预测性, 表明FRB可能由高熵单一源或多种机制/地点的组合产生. 这一方法为分析不同物理现象间的差异和一致性提供了新的工具.LHAASO Collaboration
Science Bulletin 2024; 69(4): 449–457LHAASO在天鹅座-X区域探测到一个尺度超过100秒差距的超高能伽马射线气泡结构, 揭示了存在将宇宙线加速至超过拍电子伏特(PeV)的强大粒子加速器. 气泡中包括与致密分子云相关的伽马射线“热斑”和明亮中心区域. 在0.5度范围的中心区域内, 检测到显著的超高能光子聚集(包含两个能量超过1 PeV的光子), 该区域包含大质量星团Cygnus OB2、微类星体Cyg X-3及多个TeV伽马射线源. 研究表明, 强大的中心加速器注入甚高能和超高能宇宙线, 与周围致密介质相互作用产生明亮伽马射线, 为天鹅座-X区域提供了独特的物理图像.Jujia Zhang, Han Lin, Xiaofeng Wang, Zeyi Zhao, Liping Li,Jialian Liu, Shenyu Yan, Danfeng Xiang, Huijuan Wang, Jinming BaiScience Bulletin 2023; 68(21): 2548–2554
II型超新星是宇宙中最常见的恒星爆炸, 其富氢大质量前身星的晚期演化和星周环境差异, 导致了超新星观测的多样性. 为了揭示II型超新星与大质量恒星晚期演化的联系, 需要捕捉超新星爆发的第一缕光. 近邻星系M 101中SN 2023ixf的爆发提供了难得的研究机会. 本文分析了其爆炸后1至5天内的闪亮光谱, 发现前身星在爆炸前2~3年内飞快地失去它的物质. 如果按照这个速率，我们的太阳将在不到2000年的时间里消耗殆尽。这些物质以20万公里的时速飞快地离开，然后在距离恒星数亿公里远的地方堆积着。超新星爆炸产生的冲击波以200倍的速度追上并照亮了这些物质，从而产生我们所看到的第一缕光. 结合前身星20年前的图像和高质量损失率, SN 2023ixf可能由一颗刚从红超巨星演化而来的黄巨超巨星爆炸产生.
Lu Zhang, Jianhua Zheng, Zhenghua Yang,Tianming Song, Shuai Zhang, Tong Liu, Yunfeng Wei, Longyu Kuang, Longfei Jing,Zhiwei Lin, Liling Li, Hang Li, Jinhua Zheng, Pin Yang, Yuxue Zhang, ZhiyuZhang, Yang Zhao, Zhibing He, Ping Li, Dong Yang, Jiamin Yang, Zongqing Zhao,Yongkun DingScience Bulletin 2024; 69(20): 3188–3191辐射冲击波(RS)是天体爆发中的关键现象, 其在核坍缩超新星(CCSNe)中的驱动机制仍不明确, 直接观测也因辐射自吸收受限. 研究团队在SGIII原型激光装置上,通过1600 J至2800 J激光在不同压力的氙气中成功驱动RS, 测得平均速度并首次获取波后压缩密度. 实验结果与二维辐射流体模拟的速度和密度一致. 并结合模拟温度依据缩比定标率与CCSNe模拟中的RS状态对比, 结果完全吻合. 这项研究首次定量验证了实验室模拟CCSNe中RS传播的可行性, 为分析爆发时间序列、量化RS能量耗散机制及验证CCSNe爆发模型提供了重要依据.
Yu Xi, Jin-Jun Geng, Xi-Wei Zhu, Zhong-Hai Zhao, Zhu Lei,Wen-Qiang Yuan, Gang Zhao, Xue-Feng Wu, Bin Qiao近期, 来自于SGR 1935+2154的FRB200428和非热X射线爆发的成协的天文探测, 证实了FRB可能起源于磁坨星. 然而, FRB及相关X射线的物理机制仍未明确, 主要受限于磁陀星磁层强磁场下量子电动力学(QED)效应的主导作用, 使相对论等离子体过程极为复杂. 本文提出了一种针对磁陀星附近非热X射线产生机制的理论模型, 将小尺度的QED磁重联加速与大尺度的光子辐射和多次康普顿散射相结合, 开展跨尺度数值模拟. 模拟结果与慧眼卫星Insight-HXMT的时间及光谱观测特征高度一致, 表明与FRB相关的X射线爆发可能源于磁陀星磁层内的QED重联过程. 该模拟方法可推广至更复杂的跨尺度天体物理现象研究.