Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) har upptäckt en gigantisk ultrahögenergi gammastrålningsbubblastruktur i Cygnus stjärnbildande region, vilket är första gången som ursprunget till kosmiska strålar med energi högre än 10 Peta- Elektronvolt (PeV) har upptäckts. Denna prestation publicerades i form av en omslagsartikel i Science Bulletin den 26 februari
Forskningen slutfördes av LHAASO Collaboration ledd av prof. Cao Zhen som talesman från Institutet för högenergifysik vid den kinesiska vetenskapsakademin. Dr. Gao Chuandong, Dr. Li Cong, Prof. Liu Ruoyu och Prof. Yang Ruizhi är de medförfattare till uppsatsen.
Kosmisk strålning är laddade partiklar från yttre rymden, huvudsakligen sammansatta av protoner. Ursprunget till kosmiska strålar är en av de viktigaste gränsfrågorna inom modern astrofysik. Mätningar av kosmisk strålning under de senaste decennierna har avslöjat ett avbrott runt 1 PeV i energispektrumet (dvs fördelningen av kosmisk strålning som en funktion av partikelenergin), vilket kallas "knäet" av det kosmiska strålens energispektrum pga. till sin form som liknar en knäled.
Forskare tror att kosmiska strålar med energi lägre än "knäet" härstammar från astrofysiska objekt inom Vintergatan, och förekomsten av "knä" indikerar också att energigränsen för accelererande protoner från de flesta av de kosmiska strålkällorna i Vintergatan är runt några PeV. Men ursprunget till kosmisk strålning i "knä"-regionen är fortfarande ett olöst mysterium och ett av de mest spännande ämnena inom kosmisk strålforskning på senare år.
LHAASO har upptäckt en gigantisk ultrahögenergi-gammastrålningsbubblastruktur i Cygnus stjärnbildande region, med flera fotoner som överstiger 1 PeV inuti strukturen, med den högsta energin som når 2,5 PeV, vilket indikerar närvaron av en superkosmisk strålaccelerator inuti bubblan, som kontinuerligt accelererar kosmiska strålpartiklar med hög energi med energier på upp till 20 PeV och injicerar dem i det interstellära rymden.
Dessa högenergiska kosmiska strålar kolliderar med interstellär gas och producerar gammastrålar. Intensiteten hos dessa gammastrålningsfotoner är tydligt korrelerad med fördelningen av den omgivande gasen, och den massiva stjärnhopen (OB-föreningen, Cygnus OB2) nära bubblans mitt är den mest lovande kandidaten för den superkosmiska strålacceleratorn. Cygnus OB2 består av många unga, heta, massiva stjärnor med yttemperaturer som överstiger cirka 35 000 °C (stjärnor av O-typ) och 15 000 °C (stjärnor av B-typ).
Strålningsluminositeten för dessa stjärnor är hundratals till miljoner gånger solens, och det enorma strålningstrycket blåser bort stjärnornas ytmaterial och bildar dynamiska stjärnvindar med hastigheter upp till tusentals kilometer per sekund. Stjärnvindarnas kollision med det omgivande interstellära mediet och den våldsamma kollisionen mellan stjärnvindar har skapat idealiska platser för effektiv partikelacceleration.
Detta är den första superkosmiska strålacceleratorn som identifierats för närvarande. Med ökande observationstid förväntas LHAASO upptäcka fler superkosmiska strålacceleratorer och förhoppningsvis lösa mysteriet med ursprunget till kosmiska strålar i Vintergatan.
LHAASOs observation har också indikerat att den superkosmiska strålens accelerator inuti bubblan avsevärt ökar den kosmiska strålens täthet i det omgivande interstellära rymden, vilket vida överstiger medelnivån av kosmisk strålning i Vintergatan. Den rumsliga förlängningen av densitetsöverskottet överstiger till och med det observerade intervallet av bubblor, vilket ger en möjlig förklaring till överskottet av diffus gammastrålning från det galaktiska planet som tidigare upptäckts av LHAASO.
Prof. Elena Amato, en astrofysiker från det italienska nationella institutet för astrofysik (INAF), lyfte fram upptäcktens inverkan på ursprunget till kosmiska strålar i allmänhet. Hon kommenterade också att fyndet "inte bara påverkar vår förståelse av diffus emission, utan har också mycket relevanta konsekvenser för vår beskrivning av transport av kosmisk strålning (CR) i galaxen."
LHAASO är en viktig vetenskaplig och teknisk infrastruktur med fokus på forskning om kosmisk strålning, belägen på en höjd av 4410 meter på berget Haizi i Daocheng County, Sichuanprovinsen, Kina. Det är en sammansatt array som består av en en kvadratkilometer markuppsättning av 5216 elektromagnetiska partikeldetektorer och 1188 myondetektorer, en 78 000 kvadratmeter stor vatten-Cherenkov-detektoruppsättning och 18 vidvinkel-Cherenkov-teleskop.
LHAASO färdigställdes i juli 2021 och påbörjade en högkvalitativ och stabil drift efter det. Det är den känsligaste enheten för detektering av gammastrålning med ultrahög energi i världen. Anläggningen drivs av Institutet för högenergifysik och antar en universell internationell samarbetsmodell för att uppnå öppen delning av anläggningsplattformar och observationsdata. För närvarande har 32 inhemska och utländska forskningsinstitutioner för astrofysik blivit internationella samarbetsmedlemmar i LHAASO, med cirka 280 medlemmar.
Mer information: LHAASO Collaboration, en ultrahögenergi γ-ray bubbla som drivs av en super PeVatron, Science Bulletin (2023). DOI:10.1016/j.scib.2023.12.040
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
