LHAASO opdager gigantisk ultrahøjenergi gammastråleboble, der identificerer den første super PeVatron

Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) har opdaget en gigantisk ultrahøjenergi gammastråleboblestruktur i Cygnus stjernedannende region, hvilket er første gang, at oprindelsen af ​​kosmiske stråler med energi højere end 10 Peta- Elektronvolt (PeV) er blevet opdaget. Denne præstation blev offentliggjort i form af en forsideartikel i Science Bulletin den 26. februar

Forskningen blev afsluttet af LHAASO Collaboration ledet af prof. Cao Zhen som talsmand fra Institut for Højenergifysik ved det kinesiske videnskabsakademi. Dr. Gao Chuandong, Dr. Li Cong, Prof. Liu Ruoyu og Prof. Yang Ruizhi er de med-korresponderende forfattere af papiret.

Kosmiske stråler er ladede partikler fra det ydre rum, hovedsageligt sammensat af protoner. Oprindelsen af ​​kosmiske stråler er et af de vigtigste grænsespørgsmål i moderne astrofysik. Målinger af kosmiske stråler i de seneste årtier har afsløret et brud omkring 1 PeV i energispektret (dvs. fordelingen af ​​kosmisk stråleoverflod som funktion af partikelenergien), som kaldes "knæet" af det kosmiske stråleenergispektrum pga. til sin form, der ligner et knæled.

Forskere mener, at kosmiske stråler med energi lavere end "knæet" stammer fra astrofysiske objekter i Mælkevejen, og eksistensen af ​​"knæet" indikerer også, at energigrænsen for accelererende protoner fra de fleste af de kosmiske strålekilder i Mælkevejen er omkring et par PeV. Oprindelsen af ​​kosmiske stråler i "knæ"-regionen er dog stadig et uløst mysterium og et af de mest spændende emner inden for kosmisk stråleforskning i de senere år.

LHAASO har opdaget en gigantisk ultra-højenergi gammastråleboblestruktur i Cygnus stjernedannende region, med flere fotoner, der overstiger 1 PeV inde i strukturen, med den højeste energi, der når 2,5 PeV, hvilket indikerer tilstedeværelsen af ​​en superkosmisk stråleaccelerator inde i boblen, som kontinuerligt accelererer højenergiske kosmiske strålepartikler med energier på op til 20 PeV og sprøjter dem ind i det interstellare rum.

Disse højenergiske kosmiske stråler kolliderer med interstellar gas og producerer gammastråler. Intensiteten af ​​disse gammastrålefotoner er klart korreleret med fordelingen af ​​den omgivende gas, og den massive stjernehob (OB-foreningen, Cygnus OB2) nær midten af ​​boblen er den mest lovende kandidat til den superkosmiske stråleaccelerator. Cygnus OB2 er sammensat af mange unge, varme, massive stjerner med overfladetemperaturer, der overstiger omkring 35.000 °C (stjerner af O-typen) og 15.000 °C (stjerner af B-type).

Disse stjerners strålingslysstyrke er hundreder til millioner af gange solens, og det enorme strålingstryk blæser stjernernes overflademateriale væk og danner dynamiske stjernevinde med hastigheder op til tusindvis af kilometer i sekundet. Kollisionen af ​​stjernevinde med det omgivende interstellare medium og den voldsomme kollision mellem stjernevinde har skabt ideelle steder for effektiv partikelacceleration.

Dette er den første superkosmiske stråleaccelerator, der er identificeret lige nu. Med stigende observationstid forventes LHAASO at opdage flere superkosmiske stråleacceleratorer og forhåbentlig løse mysteriet om oprindelsen af ​​kosmiske stråler i Mælkevejen.

LHAASOs observation har også indikeret, at den superkosmiske stråleaccelerator inde i boblen markant øger den kosmiske stråletæthed i det omgivende interstellare rum, langt over det gennemsnitlige niveau af kosmiske stråler i Mælkevejen. Den rumlige udvidelse af tæthedsoverskuddet overstiger endda det observerede område af bobler, hvilket giver en mulig forklaring på overskuddet af diffus gammastråleemission fra det galaktiske plan, som tidligere er blevet detekteret af LHAASO.

Prof. Elena Amato, en astrofysiker fra det italienske nationale institut for astrofysik (INAF), fremhævede virkningen af ​​opdagelsen på oprindelsen af ​​kosmiske stråler generelt. Hun kommenterede også, at opdagelsen "ikke kun påvirker vores forståelse af diffus emission, men har også meget relevante konsekvenser for vores beskrivelse af transport af kosmisk stråle (CR) i galaksen."

LHAASO er en vigtig videnskabelig og teknologisk infrastruktur med fokus på forskning i kosmisk stråle, beliggende i en højde af 4410 meter på Mount Haizi i Daocheng County, Sichuan-provinsen, Kina. Det er et sammensat array, der består af en én kvadratkilometer jordopstilling af 5216 elektromagnetiske partikeldetektorer og 1188 myondetektorer, en 78.000 kvadratmeter vand-Cherenkov-detektor-array og 18 vidvinkel-Cherenkov-teleskoper.

LHAASO stod færdigt i juli 2021 og begyndte en høj kvalitet og stabil drift efter det. Det er den mest følsomme ultra-højenergi-gammastråledetektionsenhed i verden. Anlægget drives af Institut for Højenergifysik og vedtager en universel international samarbejdsmodel for at opnå åben deling af facilitetsplatforme og observationsdata. I øjeblikket er 32 indenlandske og udenlandske astrofysiske forskningsinstitutioner blevet internationale samarbejdsmedlemmer af LHAASO med cirka 280 medlemmer.

Flere oplysninger: LHAASO Collaboration, En ultrahøjenergi γ-stråleboble drevet af en super PeVatron, Science Bulletin (2023). DOI:10.1016/j.scib.2023.12.040

Leveret af Chinese Academy of Sciences