Het Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) heeft in het stervormingsgebied van Cygnus een gigantische ultra-hoge energie gammastralingsbubbelstructuur ontdekt. ​​Dit is de eerste keer dat de oorsprong van kosmische straling met een energie hoger dan 10 Peta-straling wordt ontdekt. Elektronvolt (PeV) is ontdekt. Deze prestatie werd gepubliceerd in de vorm van een omslagartikel in Science Bulletin op 26 februari.

Het onderzoek werd voltooid door de LHAASO Collaboration onder leiding van prof. Cao Zhen als woordvoerder van het Institute of High Energy Physics van de Chinese Academie van Wetenschappen. Dr. Gao Chuandong, Dr. Li Cong, Prof. liu Ruoyu en Prof. Yang Ruizhi zijn de co-corresponderende auteurs van het artikel.

Kosmische straling zijn geladen deeltjes uit de ruimte, die voornamelijk uit protonen bestaan. De oorsprong van kosmische straling is een van de belangrijkste grensproblemen in de moderne astrofysica. Metingen van kosmische straling in de afgelopen decennia hebben een breuk van ongeveer 1 PeV in het energiespectrum aan het licht gebracht (d.w.z. de verdeling van de overvloed aan kosmische straling als functie van de deeltjesenergie), die de ‘knie’ van het energiespectrum van kosmische straling wordt genoemd vanwege aan zijn vorm die lijkt op een kniegewricht.

Wetenschappers geloven dat kosmische straling met een energie lager dan de ‘knie’ afkomstig is van astrofysische objecten in de Melkweg, en het bestaan ​​van de ‘knie’ geeft ook aan dat de energielimiet voor het versnellen van protonen uit de meeste bronnen van kosmische straling in de Melkweg is bereikt. ligt rond een paar PeV. De oorsprong van kosmische straling in het ‘kniegebied’ is echter nog steeds een onopgelost mysterie en een van de meest intrigerende onderwerpen in het onderzoek naar kosmische straling van de afgelopen jaren.

LHAASO heeft een gigantische ultra-hoge energie gammastralingsbubbelstructuur ontdekt in het Cygnus-stervormingsgebied, met meerdere fotonen van meer dan 1 PeV in de structuur, waarbij de hoogste energie 2,5 PeV bereikt, wat wijst op de aanwezigheid van een superkosmische straalversneller in de bel, die voortdurend hoogenergetische kosmische stralingsdeeltjes versnelt met energieën tot 20 PeV en deze in de interstellaire ruimte injecteert.

Deze hoogenergetische kosmische straling botst met interstellair gas en produceert gammastraling. De intensiteit van deze gammafotonen is duidelijk gecorreleerd met de verdeling van het omringende gas, en de massieve sterrenhoop (de OB-associatie, Cygnus OB2) nabij het centrum van de bel is de meest veelbelovende kandidaat voor de superkosmische straalversneller. Cygnus OB2 bestaat uit vele jonge, hete, massieve sterren met oppervlaktetemperaturen van meer dan ongeveer 35.000 °C (sterren van het O-type) en 15.000 °C (sterren van het B-type).

De stralingshelderheid van deze sterren is honderden tot miljoenen keren groter dan die van de zon, en de enorme stralingsdruk blaast het oppervlaktemateriaal van de sterren weg, waardoor dynamische sterrenwinden ontstaan ​​met snelheden tot duizenden kilometers per seconde. De botsing van stellaire winden met het omringende interstellaire medium en de gewelddadige botsing tussen stellaire winden hebben ideale locaties gecreëerd voor efficiënte deeltjesversnelling.

Dit is de eerste superkosmische straalversneller die tot nu toe is geïdentificeerd. Naarmate de observatietijd toeneemt, wordt verwacht dat LHAASO meer superkosmische stralingsversnellers zal detecteren en hopelijk het mysterie van de oorsprong van kosmische straling in de Melkweg zal oplossen.

De waarneming van LHAASO heeft ook aangetoond dat de superkosmische stralingsversneller in de bel de kosmische stralingsdichtheid in de omringende interstellaire ruimte aanzienlijk verhoogt, veel hoger dan het gemiddelde niveau van kosmische straling in de Melkweg. De ruimtelijke uitbreiding van de overmaat aan dichtheid overschrijdt zelfs het waargenomen bereik van bellen, wat een mogelijke verklaring biedt voor de overmaat aan diffuse gammastraling uit het galactische vlak die eerder door LHAASO werd gedetecteerd.

Prof. Elena Amato, een astrofysicus van het Italiaanse Nationale Instituut voor Astrofysische (INAF), benadrukte de impact van de ontdekking op de oorsprong van kosmische straling in het algemeen. Ze merkte ook op dat de bevinding "niet alleen van invloed is op ons begrip van diffuse emissie, maar ook zeer relevante gevolgen heeft voor onze beschrijving van het transport van kosmische straling (CR) in de Melkweg."

LHAASO is een belangrijke wetenschappelijke en technologische infrastructuur die zich richt op onderzoek naar kosmische straling, gelegen op een hoogte van 4410 meter op de berg Haizi in Daocheng County, provincie Sichuan, China. Het is een samengestelde array die bestaat uit een grondarray van één vierkante kilometer met 5216 elektromagnetische deeltjesdetectoren en 1188 muondetectoren, een Cherenkov-detectorarray van 78.000 vierkante meter en 18 Tsjerenkov-groothoektelescopen.

LHAASO werd in juli 2021 voltooid en begon daarna met een hoogwaardige en stabiele werking. Het is het meest gevoelige gammastralingsdetectieapparaat met ultrahoge energie ter wereld. De faciliteit wordt beheerd door het Institute of High Energy Physics en hanteert een universeel internationaal samenwerkingsmodel om het open delen van faciliteitsplatforms en observatiegegevens te bereiken. Momenteel zijn 32 binnen- en buitenlandse astrofysica-onderzoeksinstellingen internationale samenwerkingsleden geworden van LHAASO, met ongeveer 280 leden.

Meer informatie: LHAASO-samenwerking, een γ-straalbubbel met ultrahoge energie, aangedreven door een super PeVatron, Science Bulletin (2023). DOI:10.1016/j.scib.2023.12.040

Aangeboden door de Chinese Academie van Wetenschappen