The Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), en av Kinas viktigaste nationella infrastrukturanläggningar för vetenskap och teknik, har noggrant mätt ljusstyrkan över 3,5 storleksordningar för standardljuset inom högenergiastronomi, kalibrerar därmed en ny standard för ultrahögenergi (UHE) gammastrålkällor. Standardljuset är den berömda krabbnebulosan, som utvecklats från "gäststjärnan" som registrerats av de kejserliga astronomerna från Kinas Songdynastin.

LHAASO har också upptäckt en foton med en energi på 1,1 PeV (1 PeV =en kvadrillion elektronvolt), vilket indikerar närvaron av en extremt kraftfull elektronaccelerator – ungefär en tiondel av solsystemets storlek – belägen i kärnområdet av krabbnebulosan. Acceleratorn kan aktivera elektroner till en nivå 20, 000 gånger större än vad CERNs Large Electron-Positron Collider (LEP) någonsin kan uppnå, närmar sig därmed den absoluta teoretiska gränsen som den klassiska elektrodynamik och ideal magnetohydrodynamik utgör.

Resultat kommer att publiceras i Vetenskap den 8 juli. LHAASO International Collaboration, som leds av Institutet för högenergifysik vid den kinesiska vetenskapsakademin, slutfört denna studie.

Krabbnebulosan är 6, 500 ljusår från jorden. Den föddes i en ljus supernovaexplosion år 1054 e.Kr. Det är den första supernovaresten som identifierats av modern astronomi med ett tydligt historiskt rekord. Nebulosan hyser en energisk pulsar med en period på 30 millisekunder. Pulsarens snabbt roterande magnetosfär driver en kraftfull vind som består av elektron-positronpar som rör sig med nästan ljusets hastighet. Elektronerna/positronerna i pulsarvinden accelererar ytterligare till högre energier när vinden möter det omgivande mediet. Nebulosan produceras av strålningen från de accelererade elektronerna/positronerna.

Krabbnebulosan är en av få källor som har uppmätts i alla energiband, dvs. radio, infraröd, optisk, ultraviolett, Röntgen och gammastrålning. Dess spektrum har studerats omfattande i årtionden av många observatörer. Som en ljus och stabil högenergikälla, Krabbnebulosan anses vara standardljuset för många olika energiband. I denna egenskap, den fungerar som referens för mätning av andra källor.

LHAASO har mätt spektrumet av krabbnebulosan vid den högsta energiändan, täcker det breda intervallet 0,0005-1,1 PeV. Det har bekräftat mätningar från de senaste decennierna. Den har också uppnått en noggrann mätning i UHE-bandet (0,3-1,1 PeV) för första gången, kalibrerar därmed ljusstyrkan hos standardljuset över ett sådant oöverträffat energiområde.

Bland de 12 UHE-gammastrålkällor som tidigare upptäckts av LHAASO, Krabbnebulosan identifierades som en av två källor som kan sända ut PeV-fotoner, och är den enda källan med en bestämd astrofysisk motsvarighet. Den uppmätta 1,1 PeV-fotonen ger direkta bevis för accelerationen av 2,3 PeV-elektroner i källan. En sådan energi är cirka 20, 000 gånger den maximalt uppnåbara energin av den mest kraftfulla konstgjorda elektronacceleratorn, LEP, som är föregångaren till LHC. Eftersom högenergielektroner lider kraftig energiförlust i ett magnetfält, acceleratorn i krabbnebulosan måste fungera med en otroligt hög effektivitet för att balansera den enorma energiförlusten. Enligt LHAASO-mätningen, dess accelerationseffektivitet kan nå 15 % av den teoretiska övre gränsen, överträffar alltså supernovavågen med en faktor 1, 000. Detta innebär utmaningar för standardparadigmet för elektronacceleration inom högenergiastrofysik. En djupgående analys och diskussion av detta ämne beskrivs i det aktuella dokumentet i Vetenskap .

LHAASO är en stor nationell vetenskaplig och teknisk infrastrukturanläggning med fokus på kosmisk strålning och forskning. Den ligger på 4, 410 meter över havet på berget Haizi i Daocheng County, Sichuanprovinsen och täcker ett område på cirka 1,36 km ² . Den består av 5, 195 elektromagnetiska partikeldetektorer och 1, 188 Muon-detektorer placerade i den kvadratkilometer långa komplexa arrayen, en 78, 000 m ² vatten Cherenkov detektor array, och 18 Cherenkov-teleskop med bred synfält. Med hjälp av dessa fyra tekniker, LHAASO kommer att kunna mäta luftskurar som genereras av kosmiska strålar eller gammastrålar rundstrålande med flera variabler samtidigt.

Grundläggande information om de infallande partiklarna, såsom ankomstriktning, typ och energi, kan mätas genom rekonstruktionen av duscharna. Den nyligen publicerade upptäckten visar att LHAASO kan korskontrollera mätningar med hjälp av flera detektionstekniker, vilket säkerställer tillförlitliga och korrekta resultat. LHAASO kommer att färdigställas denna månad och tas i drift. Med en förväntning om att detektera 1-2 fotoner med energier runt 1 PeV från krabbanebulosan varje år, pusslet med den kosmiska PeV-elektronacceleratorn kommer att lösas under de kommande åren.