Σωματίδια Υψηλότερης Ενέργειας Φτάνουν ακόμα από το Αρχαίο Νεφέλωμα Καβούρι

Λίγο πριν την ανατολή του ηλίου στις 4 Ιουλίου 1054 μ.Χ., αυτοκρατορικοί αστρονόμοι της δυναστείας Σονγκ στην Κίνα εντόπισαν ένα άγνωστο αστέρι να φωτίζει τον ανατολικό ουρανό. «Είναι τόσο φωτεινό όσο η Αφροδίτη, με μυτερές ακτίνες και στις τέσσερις κατευθύνσεις και ένα κοκκινωπό λευκό χρώμα», έγραψαν στις σημειώσεις που παραδόθηκαν στον αυτοκράτορα. Η λάμψη, που παρέμεινε ορατή με γυμνό μάτι κατά τη διάρκεια της ημέρας για σχεδόν ένα μήνα, προήλθε από έκρηξη που προκλήθηκε από τον θεαματικό θάνατο ενός αστεριού που βρίσκεται 6.500 έτη φωτός μακριά στον αστερισμό του Ταύρου. Τα λείψανά του είναι γνωστά σήμερα ως το Νεφέλωμα του Καβουριού, ένα από τα πιο όμορφα και καλά μελετημένα αντικείμενα στον ουρανό.

Οι επιστήμονες γνώριζαν από καιρό το Νεφέλωμα του Καβουριού ως ένα πολύ ενεργητικό αστροφυσικό αντικείμενο που εκπέμπει ακτινοβολία που κυμαίνεται από ραδιοκύματα σε ακτίνες γάμμα. Αλλά πρόσφατα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ότι είναι ακόμα πιο ενεργητικό από ό,τι νόμιζαν. Χρησιμοποιώντας μια σειρά από υπερσύγχρονους ανιχνευτές στα ανατολικά άκρα του Θιβετιανού Οροπεδίου, μια ομάδα ανέφερε στο Science αυτή την εβδομάδα ότι είχε ανιχνεύσει σωματίδια φωτός με ενέργειες έως και άνω του ενός τετρασεκατομμυρίου ηλεκτρονιοβολτ (1 PeV) από το διάσημο κατάλοιπο σουπερνόβα, που δείχνει ότι είναι τόσο ενεργητικό που θέτει πιθανές προκλήσεις στις κλασικές θεωρίες της φυσικής.

Ο Κοσμικός Επιταχυντής

Καθισμένο 4.410 μέτρα πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας στο πανέμορφο βουνό Haizi, το Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO) έχει ανιχνεύσει δεκάδες χιλιάδες πολύ ενεργητικά φωτόνια από το νεφέλωμα του Καβουριού από το 2019. Και για πρώτη φορά, το παρατηρητήριο έδωσε τη δυνατότητα μετρήστε με ακρίβεια το ενεργειακό φάσμα του νεφελώματος - πόσα φωτόνια από κάθε επίπεδο ενέργειας που εκπέμπει - στο υψηλότερο άκρο του εύρους, μεταξύ 0,3 και 1,1 PeV. «Τα αποτελέσματα του LHAASO είναι σημαντικά επειδή μέτρησαν το φάσμα του νεφελώματος του Καβουριού σε ένα νέο ενεργειακό καθεστώς που δεν είχε εξερευνηθεί από κανένα προηγούμενο όργανο», λέει ο Ρενέ Ονγκ, αστροφυσικός στο Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνια στο Λος Άντζελες, ο οποίος δεν συμμετείχε στην έρευνα. .

Ιδιαίτερα ενδιαφέροντα για τους πειραματιστές και τους θεωρητικούς είναι τα δύο φωτόνια που φέρουν τις υψηλότερες ενέργειες που έχουν ανιχνευθεί ποτέ από το νεφέλωμα του Καβουριού:το ένα στα 0,88 PeV, που η ομάδα είχε αναφέρει προηγουμένως σε ένα έγγραφο Nature, και το άλλο στο 1,1 PeV, το οποίο αποκαλύφθηκε στο τελευταία μελέτη. Τα μικροσκοπικά σωματίδια έφτασαν στη Γη με ενέργεια 10 φορές μεγαλύτερη από μια μπάλα του πινγκ-πονγκ που αναπηδά από ένα κουπί.

«Αυτά τα γεγονότα είναι ακραία και σχεδόν πέρα ​​από κάθε φαντασία από κάθε άποψη», λέει ο Felix Aharonian, συν-συγγραφέας της νέας εργασίας στο Ινστιτούτο Προηγμένων Σπουδών του Δουβλίνου και στο Ινστιτούτο Πυρηνικής Φυσικής Max Planck στη Χαϊδελβέργη της Γερμανίας. P>

Πώς το νεφέλωμα του Καβουριού επιταχύνει αυτά τα σωματίδια; Γεννημένος στην έκρηξη σουπερνόβα που παρατηρήθηκε πριν από σχεδόν 1.000 χρόνια, η καρδιά του νεφελώματος φιλοξενεί ένα πάλσαρ, ένα εξαιρετικά πυκνό αστέρι νετρονίων που περιστρέφεται 30 φορές κάθε δευτερόλεπτο. Η περιστροφή του πάλσαρ δημιουργεί έναν εξωτερικό άνεμο που αποτελείται από ζεύγη ηλεκτρονίων και τα αντίστοιχα της αντιύλης, ποζιτρόνια, τα οποία στη συνέχεια αλληλεπιδρούν με το περιβάλλον νεφέλωμα για να δημιουργήσουν κρουστικά κύματα και έναν φυσικό επιταχυντή σωματιδίων, σύμφωνα με τον κύριο ερευνητή του LHAASO Cao Zhen του Ινστιτούτου Υψηλής Ενεργειακή Φυσική στην Κινεζική Ακαδημία Επιστημών. Όταν τα επιταχυνόμενα σωματίδια αποκτούν τελικά την ενέργεια για να διαφύγουν, μερικά προσκρούουν σε φωτόνια χωρίς μάζα, χαμηλής θερμοκρασίας από το κοσμικό μικροκυματικό υπόβαθρο και περνούν σημαντικό μέρος της ενέργειάς τους σε αυτά τα σωματίδια φωτός. Στη συνέχεια, τα φωτόνια εκτινάσσονται προς τα έξω, με μερικά να κατευθύνονται κατευθείαν στη Γη, φέρνοντας μαζί τους σημαντικές πληροφορίες για το ίδιο το νεφέλωμα του Καβουριού.

Οι επιστήμονες έχουν παρατηρήσει αυτά τα σωματίδια υψηλής ενέργειας από το Νεφέλωμα του Καβουριού για δεκαετίες, αν και κανένα δεν ήταν τόσο ενεργητικό. Στις αρχές της δεκαετίας του 2000, οι επιστήμονες παρατήρησαν φωτόνια 75 τρισεκατομμυρίων ηλεκτρον βολτ (TeV) με ένα παρατηρητήριο στα Κανάρια Νησιά της Ισπανίας. Πιο πρόσφατα, ένα ιαπωνικό-κινεζικό πείραμα που ονομάζεται Θιβέτ AS-γάμα συνέλαβε φωτόνια με ενέργειες έως και 450 TeV.

Για να στείλουμε ένα φωτόνιο 1,1-PeV που σπάει ρεκόρ στη Γη, το αρχικό ηλεκτρόνιο από το Νεφέλωμα του Καβουριού πρέπει να ήταν περίπου 2,3 PeV, εκτιμούν οι επιστήμονες. Αυτή η ενέργεια είναι περίπου 20.000 φορές μεγαλύτερη από αυτή που μπορεί να επιτευχθεί από έναν επιταχυντή ηλεκτρονίων στη γη. Και οι φυσικοί θα περίμεναν ότι τα σωματίδια στο νεφέλωμα θα χάσουν γρήγορα ενέργεια επειδή όταν τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν κατά μήκος καμπυλωτών μονοπατιών, απελευθερώνουν τη λεγόμενη ακτινοβολία σύγχροτρον, προκαλώντας την ψύξη τους. Σε κάποιο σημείο, η ενέργεια που χάνουν θα ξεπεράσει την ενέργεια που παίρνουν από τον επιταχυντή. «Αλλά το πάλσαρ έχει σχεδόν το μέγεθος του μεγαλύτερου επιταχυντή μας», λέει ο Cao. "Πρέπει να υπάρχει ένας απίστευτος μηχανισμός στο Νεφέλωμα του Καβουριού για να μεγιστοποιηθεί η επιτάχυνση έναντι της απώλειας ενέργειας."

Μέχρι στιγμής, το σενάριο ηλεκτρονίων 2,3-PeV "επιτρέπεται από την κλασική ηλεκτροδυναμική και την ιδανική μαγνητοϋδροδυναμική, αλλά πολύ, πολύ κοντά στο θεωρητικό όριο", λέει ο Aharonian. Η απόδοση επιτάχυνσης είναι κοντά στο 100 τοις εκατό. Λαμβάνοντας υπόψη το γεγονός ότι η περιστροφή του πάλσαρ είναι η μόνη πηγή ενέργειας και ότι η διαδικασία επιτάχυνσης είναι τόσο περίπλοκη, «είναι πραγματικά εκπληκτικό ότι ο επιταχυντής της φύσης λειτουργεί με τόσο υψηλή απόδοση, σαν να ήταν μια ιδανικά σχεδιασμένη μηχανή», λέει, «εκτός ότι κανείς δεν το σχεδίασε πραγματικά.»

LHAASO

Όταν ένα σωματίδιο πολύ υψηλής ενέργειας χτυπά την ατμόσφαιρα της Γης, πυροδοτεί έναν καταρράκτη δευτερογενών σωματιδίων σε ένα γεγονός που είναι γνωστό ως «ντους αέρα». Οι επίγειοι ανιχνευτές όπως το LHAASO καταγράφουν αυτά τα συμβάντα ντους αέρα και μπορούν στη συνέχεια να ανασυνθέσουν τον τύπο, την ενέργεια και την τροχιά των πρωτογενών σωματιδίων, τα οποία κατά τα άλλα είναι πολύ άπιαστα για να εντοπιστούν.

Το LHAASO είναι ένα από τα μεγαλύτερα και πιο ευαίσθητα όργανα του είδους του. Εκτείνεται σε μια συνολική έκταση 1,3 τετραγωνικών χιλιομέτρων και αποτελείται από τρεις συστοιχίες ανιχνευτών. Η μεγαλύτερη είναι η Συστοιχία Τετραγωνικών Χιλιόμετρων, με περίπου 6.000 υπέργειους μετρητές και περισσότερους από 1.100 υποεπιφανειακούς ανιχνευτές μιονίων για να πιάνουν κοσμικές ακτίνες και ακτίνες γάμμα. Η δεύτερη συστοιχία, η συστοιχία ανιχνευτών νερού Cherenkov, χρησιμοποιεί τεράστιες λίμνες νερού και σπινθηριστές που ενεργοποιούνται από το φως για να αναζητήσει ακτίνες γάμμα υψηλής ενέργειας. Τέλος, το πείραμα χρησιμοποιεί 18 τηλεσκόπια Cherenkov με ευρύ οπτικό πεδίο για την ανίχνευση της μπλε ακτινοβολίας που ονομάζεται φως Cherenkov και η οποία εκπέμπεται κατά τη διάρκεια ντους με αέρα.

Όταν ο Cao πρότεινε για πρώτη φορά την κατασκευή του LHAASO το 2009, οι άνθρωποι του είπαν ότι μπορεί να μην μπορεί να δει τίποτα. «Υπήρχε μια δημοφιλής πεποίθηση ότι υπάρχει μια «αποκοπή» στο ενεργειακό φάσμα του γαλαξία μας στα 100 TeV περίπου, που φαινόταν να είναι ένα θεωρητικό ανώτατο όριο», θυμάται. «Αλλά δεν το αγόρασα. Ως πειραματιστής, η αποστολή μου είναι να πειραματιστώ και το LHAASO θα ακολουθούσε ακριβώς το άγνωστο καθεστώς πέρα ​​από τα 100 TeV.» Η κατασκευή του αστεροσκοπείου ξεκίνησε το 2017. Άρχισε να λειτουργεί δύο χρόνια αργότερα, όταν το LHAASO δεν ήταν καν μισοολοκληρωμένο. Χρησιμοποιώντας δεδομένα από τους πρώτους μήνες, ο Cao και η ομάδα του ανέφεραν δώδεκα πηγές ακτίνων γάμμα σε επίπεδο PeV σε όλο τον γαλαξία, σχεδόν διπλασιάζοντας τον συνολικό αριθμό τέτοιων πηγών που έχουν ανακαλυφθεί μέχρι σήμερα. «Τα αποτελέσματά μας έδειξαν ξεκάθαρα ότι δεν υπάρχει τέτοια αποκοπή στα 100 TeV», λέει. "Αντίθετα, το ενεργειακό φάσμα συνεχίζει να επεκτείνεται προς τα εμπρός και πέρα ​​από το 1 PeV, όπως στην περίπτωση του νεφελώματος του Καβουριού."

Τα αποτελέσματα δεν ήταν εύκολα, ειδικά επειδή η Κίνα ήταν καθυστερημένη στον τομέα της αστρονομίας των ακτίνων γάμμα. Ο Cao θυμάται ακόμα όταν ήταν προπτυχιακός φοιτητής που μάθαινε να στήνει τους πρώτους ανιχνευτές ακτίνων γάμμα της Κίνας σε μια αυλή στα προάστια του Πεκίνου το 1986. Στην άλλη πλευρά του Ειρηνικού Ωκεανού εκείνη την εποχή, ο αείμνηστος αστροφυσικός και βραβευμένος με Νόμπελ Τζέιμς Κρόνιν ετοιμάζεται ήδη να ανιχνεύσει τις ακτίνες γάμμα PeV μέσω ενός έργου που ονομάζεται CASA-MIA (το Chicago Air Shower Array–Michigan Muon Array) στις ερήμους της Γιούτα. Το CASA-MIA ήταν τότε το μεγαλύτερο και πιο φιλόδοξο πείραμα για τη μελέτη των ακτίνων γάμμα σε ενέργειες άνω των 100 TeV. Δυστυχώς, δεν εντόπισε κανένα κατά τη διάρκεια των πέντε ετών παρατήρησής του. «Το CASA-MIA ήταν πολύ ευαίσθητο εκείνη την εποχή, αλλά δεν ήταν αρκετό για να κάνει τη δουλειά του», λέει ο Ong, ο οποίος ήταν μέλος της ομάδας CASA-MIA. Κανείς δεν δοκίμασε ξανά αυτή την τεχνική μέχρι το LHAASO. Το νέο παρατηρητήριο είναι όλα όσα ήταν το CASA-MIA, καθώς και μια μεγαλύτερη και καλύτερη επιφανειακή διάταξη, πολύ καλύτεροι ανιχνευτές μιονίων, μια έξυπνα σχεδιασμένη διάταξη και υψηλότερο υψόμετρο. «Και γι' αυτό λειτούργησε», λέει ο Ong. "Προσωπικά, είναι εξαιρετικά ευχάριστο για μένα να βλέπω ότι κάποιος ανέλαβε αυτό που είχαμε δουλέψει σκληρά για 10 χρόνια και έκανε πολύ καλή δουλειά με αυτό."

Κοιτάζοντας μπροστά

Τα στατιστικά στοιχεία σχετικά με την επιτάχυνση σε επίπεδο PeV που συμβαίνει μέσα στο νεφέλωμα του Καβουριού περιορίζονται μέχρι στιγμής σε δύο φωτόνια, παραδέχεται ο Cao. Επειδή το LHAASO έχει σχεδιαστεί για να ανιχνεύει τουλάχιστον ένα ή δύο τέτοια συμβάντα κάθε χρόνο, ωστόσο, η ομάδα ελπίζει να επιβεβαιώσει τα ευρήματά της σε μερικά χρόνια.

Για να απαντήσει στις τελικές ερωτήσεις σχετικά με τους κοσμικούς επιταχυντές και τις κοσμικές ακτίνες, το LHAASO θα χρειαστεί να συνεργαστεί με άλλους ανιχνευτές. Το πείραμα, αν και αρκετά ισχυρό για να κυριαρχήσει στην ενεργειακή του ζώνη τα επόμενα χρόνια, υποφέρει από σχετικά χαμηλή γωνιακή ανάλυση και κάλυψη του ουρανού και δεν έχει την ικανότητα στιγμιαίας ανίχνευσης. Θα συνεργαστεί με το επερχόμενο Cherenkov Telescope Array (CTA), μια παγκόσμια προσπάθεια για τη χρήση περισσότερων από 100 τηλεσκοπίων που βρίσκονται στο βόρειο και νότιο ημισφαίριο για την ανίχνευση ακτίνων γάμμα υψηλής ενέργειας μέσα και έξω από τον γαλαξία μας. Σε αντίθεση με το LHAASO, το CTA θα χρησιμοποιεί ατμοσφαιρικά τηλεσκόπια Cherenkov απεικόνισης και θα είναι εξαιρετικά συμπληρωματικό σε αυτό το παρατηρητήριο. «Το LHAASO και το CTA θα χρειαστεί να λειτουργήσουν μαζί για μια δεκαετία περίπου για να εντοπίσουν πραγματικά την προέλευση των κοσμικών ακτίνων», λέει ο Ong, ο οποίος είναι συν-εκπρόσωπος του CTA. Η LHAASO είναι έτοιμη να συνεργαστεί με άλλα πειράματα από όλο τον κόσμο, λέει ο Cao. Στην πραγματικότητα, η ομάδα έχει ήδη υπογράψει συμφωνίες με μια σειρά από παρατηρητήρια, συμπεριλαμβανομένου του ανιχνευτή όγκου Baikal Gigaton στη Ρωσία και του Very Energetic Radiation Imaging Telescope Array System (VERITAS) στην Αριζόνα. Η VERITAS έχει αρχίσει να παρακολουθεί κάποιες από τις πηγές που ανέφερε η LHAASO στο προηγούμενο Nature χαρτί.

Το LHAASO θα ολοκληρώσει το τελευταίο κομμάτι της κατασκευής του μέχρι το τέλος αυτού του μήνα. «Η δουλειά μόλις ξεκίνησε, αν και είναι ήδη πολύ εντυπωσιακή», λέει ο Aharonian. Το πείραμα αντανακλά τη γρήγορη άνοδο της Κίνας, μιας αρχαίας αστρονομικής δύναμης, στη σύγχρονη αρένα της αστροφυσικής, λέει. Το έθνος είναι σε καλή θέση να πραγματοποιήσει κορυφαία παγκόσμια έρευνα αστροφυσικής λόγω των καλά εκπαιδευμένων νέων επιστημόνων και της οικονομικής του δύναμης, μαζί με την προθυμία της κυβέρνησής του να επενδύσει στη βασική επιστήμη, παρατηρεί. "Το LHAASO είναι μόνο ένα έργο που δείχνει πώς η σημερινή Κίνα μπορεί να κάνει επιστήμη με έγκαιρο και εξαιρετικά οικονομικό τρόπο", λέει ο Aharonian.