西暦 1054 年 7 月 4 日の日の出の少し前、中国の宋王朝の天文学者たちは、東の空を照らす未知の星を発見しました。 「それは金星と同じくらい明るく、4方向すべてに尖った光線と赤みがかった白い色をしています」と彼らは皇帝に届けられたメモに書いた.ほぼ1か月間、日中に肉眼で見えるままだったこの輝きは、おうし座の星座で6,500光年離れた位置にある星の壮観な死によって引き起こされた爆発によるものでした.その遺物は、空で最も美しくよく研究された天体の 1 つであるかに星雲として今日知られています。
科学者たちは、カニ星雲が、 電波からガンマ線へ。しかし最近、科学者たちは、それが彼らが思っていたよりもさらにエネルギー的であることを発見しました.チベット高原の東端にある一連の最先端の検出器を使用して、研究チームは今週、科学誌で報告したように、最大で千兆電子ボルト (1 PeV) を超えるエネルギーを持つ光粒子を検出しました。有名な超新星残骸であり、非常にエネルギーが高く、古典物理学理論に潜在的な課題をもたらすことを示しています。
コズミック・アクセラレーター
美しい海子山の海抜 4,410 メートルに位置する大型高高度空気シャワー天文台 (LHAASO) は、2019 年以来、カニ星雲から数万個の非常にエネルギーの高い光子を検出しています。星雲のエネルギー スペクトル (星雲が放出するエネルギーの各レベルの光子数) を、0.3 ～ 1.1 PeV の範囲の上限で正確に測定します。 「LHAASO の結果は重要です。なぜなら、以前のどの機器でも調査されなかった新しいエネルギー体制でカニ星雲のスペクトルを測定したからです」と、カリフォルニア大学ロサンゼルス校の天体物理学者で、この研究には関与していない Rene Ong は言います。 .
実験家と理論家の両方にとって特に興味深いのは、カニ星雲からこれまでに検出された最高のエネルギーを運ぶ 2 つの光子です。最新の調査。 この小さな粒子は、ピンポン球が櫂で跳ね返るエネルギーの 10 倍のエネルギーで地球に到着しました。
「これらの出来事は極端であり、どの観点から見てもほとんど想像を絶するものです」と、ドイツのハイデルベルクにあるダブリン高等研究所とマックス プランク核物理学研究所の新しい論文の共著者である Felix Aharonian は言います。
かに星雲はこれらの粒子をどのように加速させているのでしょうか?約 1,000 年前に観測された超新星爆発で生まれたこの星雲の心臓には、毎秒 30 回回転する非常に密度の高い中性子星であるパルサーがあります。 LHAASO の主任研究者である高等研究所の Cao Zhen 氏によると、パルサーの回転は、電子のペアとその反物質である陽電子で構成される外向きの風を生成し、周囲の星雲と相互作用して衝撃波と自然な粒子加速器を生成します。中国科学院のエネルギー物理学。加速された粒子が最終的にエネルギーを獲得して脱出すると、宇宙マイクロ波背景放射からの質量のない低温の光子にぶつかり、そのエネルギーのかなりの部分がこれらの光の粒子に渡されます。その後、光子は外側に向けて飛び出し、一部はまっすぐ地球に向かい、カニ星雲自体に関する重要な情報をもたらします。
科学者たちは、カニ星雲からのこれらの高エネルギー粒子を何十年も観察してきましたが、これほどエネルギーの高い粒子はありませんでした。 2000 年代初頭、科学者たちはスペインのカナリア諸島の天文台で 75 兆電子ボルト (TeV) の光子を観測しました。最近では、チベット AS-ガンマと呼ばれる日中間の実験で、最大 450 TeV のエネルギーを持つ光子が検出されました。
記録破りの 1.1 PeV の光子を地球に送るには、かに星雲からの元の電子が約 2.3 PeV であったに違いないと科学者は推定しています。このエネルギーは、電子加速器が達成できるエネルギーの約 20,000 倍です 地球上で。また、物理学者は、電子が曲がった経路に沿って移動すると、いわゆるシンクロトロン放射を放出して冷却するため、星雲内の粒子が急速にエネルギーを失うと予想するでしょう。ある時点で、彼らが失うエネルギーは、加速器から得られるエネルギーを超えます。 「しかし、パルサーは私たちの最大の衝突型加速器とほぼ同じ大きさです」と Cao は言います。 「カニ星雲には、エネルギー損失に対して加速を最大化する驚くべきメカニズムがあるに違いありません。」
これまでのところ、2.3 PeV の電子シナリオは「古典的な電気力学と理想的な電磁流体力学によって許容されていますが、理論上の限界に非常に近い」と Aharonian 氏は述べています。加速効率はほぼ 100% です。パルサーの回転が唯一のエネルギー源であり、加速プロセスが非常に複雑であるという事実を考えると、「自然の加速器が理想的に設計された機械であるかのように、これほど高い効率で動作することは本当に驚くべきことです」と彼は言います。誰もそれを実際に設計したわけではありません。」
ラアソ
非常に高エネルギーの粒子が地球の大気に衝突すると、「エア シャワー」として知られるイベントで二次粒子のカスケードが発生します。 LHAASO などの地上ベースの検出器は、これらのエア シャワー イベントを記録し、それ以外の方法では追跡が難しい一次粒子の種類、エネルギー、軌道を再構築できます。
LHAASO は、この種の機器の中で最大かつ最も感度の高い機器の 1 つです。総面積 1.3 平方キロメートルに広がり、3 つの検出器アレイで構成されています。最大のものは平方キロメートル アレイで、約 6,000 の地上カウンターと 1,100 を超える地下ミューオン検出器を備え、宇宙線とガンマ線を捕捉します。 2 番目のアレイである Water Cherenkov Detector Array は、巨大な池と光活性化シンチレータを使用して、高エネルギー ガンマ線を探します。最後に、この実験では、18 台の広視野チェレンコフ望遠鏡を使用して、空気シャワー中に放出されるチェレンコフ光と呼ばれる青色放射を検出します。
2009 年に Cao が LHAASO の建設を最初に提案したとき、人々は彼に何も見えないかもしれないと言った。 「私たちの銀河系のエネルギー スペクトルには約 100 TeV で「カットオフ」があるという一般的な信念がありましたが、これは理論上の上限のように思われました」と彼は回想します。 「でも買わなかった。実験家としての私の使命は実験を行うことであり、LHAASO は 100 TeV を超える未知の領域に正確に対応します。」天文台の建設は 2017 年に開始されました。LHAASO が半分も完成していなかった 2 年後に運用が開始されました。最初の数か月のデータを使用して、Cao と彼のチームは、銀河全体で 12 個の PeV レベルのガンマ線源を報告しました。これは、これまでに発見されたそのような源の総数のほぼ 2 倍です。 「私たちの結果は、100 TeV ではそのようなカットオフがないことを明確に示しました」と彼は言います。 「代わりに、カニ星雲の場合のように、エネルギー スペクトルは 1 PeV まで、さらにはそれを超えて広がり続けます。」
特に中国はガンマ線天文学の分野では後発だったため、結果は容易ではありませんでした。曹は、1986 年に北京郊外の桃園で中国初のガンマ線検出器を設置することを学んでいた大学生だったときのことを今でも覚えています。ユタ州の砂漠で、CASA-MIA (シカゴ エア シャワー アレイ - ミシガン ミュオン アレイ) と呼ばれるプロジェクトを介して、PeV ガンマ線を検出する準備が既に整っています。当時、CASA-MIA は 100 TeV を超えるエネルギーのガンマ線を研究する最大かつ最も野心的な実験でした。残念ながら、5年間の観測期間中、何も検出されませんでした。 「当時、CASA-MIA は非常に繊細でしたが、仕事をするには十分ではありませんでした」と、CASA-MIA チームの一員であった Ong 氏は言います。 LHAASO まで誰もその手法を試みませんでした。新しい天文台は、CASA-MIA のすべてに加えて、より大きくより優れた地表アレイ、はるかに優れたミューオン検出器、巧妙に設計されたレイアウト、およびより高い高度を備えています。 「そしてそれがうまくいった理由です」とオングは言います。 「個人的には、私たちが 10 年間懸命に取り組んできたものを誰かが取り上げて、本当に素晴らしい仕事をしてくれたことを非常に嬉しく思います。」
今後の展望
かに星雲内で起こっているPeVレベルの加速に関する統計は、これまでのところ2つの光子に限られているとCaoは認めています。ただし、LHAASO は毎年少なくとも 1 つまたは 2 つのそのようなイベントを検出するように設計されているため、チームは数年以内にその結果を確認したいと考えています.
宇宙加速器と宇宙線に関する究極の疑問に答えるには、LHAASO は他の検出器と連携する必要があります。この実験は、今後数年間でそのエネルギー帯域を支配するのに十分なほど強力ですが、角度解像度と空の範囲が比較的低く、瞬時に検出する能力に欠けています.今後の と提携します チェレンコフ望遠鏡アレイ (CTA) は、北半球と南半球にある 100 台以上の望遠鏡を使用して、銀河に出入りする高エネルギー ガンマ線を検出する世界的な取り組みです。 LHAASO とは異なり、CTA はイメージング大気チェレンコフ望遠鏡を使用し、その天文台を高度に補完します。 「LHAASO と CTA は、宇宙線の起源を正確に突き止めるために、10 年ほど一緒に活動する必要があります」と、CTA の共同スポークスマンである Ong は言います。 LHAASO は、世界中の他の実験と協力する準備ができている、と Cao は言います。実際、チームはすでにロシアのバイカル ギガトン ボリューム検出器やアリゾナ州の高エネルギー放射線画像望遠鏡アレイ システム (VERITAS) など、多くの天文台と契約を結んでいます。 VERITAS は、以前の Nature で LHAASO が報告したソースの一部の追跡調査を開始しました。
LHAASO は、今月末までに最後の工事を完了する予定です。 「作業は始まったばかりですが、すでに非常に印象的です」と Aharonian 氏は言います。この実験は、古代の天文大国であった中国が現代の天体物理学の分野で急速に台頭してきたことを反映していると彼は言う。この国は、よく訓練された若い科学者と経済力、そして政府が基礎科学に投資する意欲があるため、世界をリードする天体物理学研究を達成するのに適した立場にあると彼は観察しています。 「LHAASO は、今日の中国がタイムリーかつ非常に費用対効果の高い方法で科学を行う方法を示すプロジェクトの 1 つにすぎません」と Aharonian 氏は言います。
