Ánh sáng năng lượng cao nhất từng thấy bắt nguồn từ tinh vân Con cua

Hàng trăm máy dò hạt ở dãy ASgamma Tây Tạng đã được sử dụng để chụp các hạt mưa từ tia gamma tấn công Trái đất.

Viện Vật lý năng lượng cao / Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc

Ánh sáng năng lượng cao nhất từng thấy bắt nguồn từ tinh vân Con cua

Bởi Dennis NormileJul. 8, 2019, 11:40 sáng

Một sự hợp tác của các nhà vật lý thiên văn Trung Quốc và Nhật Bản đã báo cáo các photon năng lượng cao nhất từng thấy: tia gamma có năng lượng lên tới 450 nghìn tỷ volt (TeV).

Các hạt ánh sáng được truy nguyên từ tinh vân Con cua, phần còn lại của vụ nổ sao được quan sát bởi các nhà thiên văn học Trung Quốc gần 1000 năm trước, và pulsar mạnh mẽ, một ngôi sao neutron dày đặc, hiện đang nằm ở trái tim của tinh vân. Ger Chúng tôi biết môi trường của một pulsar là cực kỳ, ông Geraint Lewis, nhà vật lý thiên văn tại Đại học Sydney, Úc, người không tham gia nghiên cứu cho biết. Câu hỏi được đặt ra bởi việc tìm kiếm là cực đoan như thế nào, anh ấy nói. Ông nói rằng kết quả sẽ giúp hạn chế các ý tưởng về cách các photon được tăng cường đến những năng lượng phi thường như vậy.

Thí nghiệm ASgamma của Tây Tạng đã phát hiện ra các photon bằng cách sử dụng một loạt gần 600 máy dò hạt, các cảm biến biến các hạt tấn công thành tín hiệu điện tử. Các máy dò được trải rộng trên 66.000 mét vuông trong một thung lũng cao 4300 mét so với mực nước biển trên cao nguyên Tây Tạng ở Trung Quốc. Khi các tia gamma tấn công bầu khí quyển của Trái đất, chúng tạo ra những cơn mưa rào không khí rải rác các tầng điện tử và các hạt hạ nguyên tử khác. Khi các hạt này tấn công các máy dò, thời gian và năng lượng của các cuộc đình công được ghi lại, cho phép các nhà thiên văn học tái tạo lại năng lượng và quỹ đạo của tia gamma ban đầu.

Vấn đề là phân biệt các tia gamma với các tia vũ trụ, các hạt tích điện cũng có thể chạm tới các năng lượng khổng lồ này và tạo ra các trận mưa rào tương tự. May mắn thay, các vòi hoa sen phát ra từ các tia vũ trụ chứa tỷ lệ muon, anh em họ của các electron trong thời gian ngắn hơn so với các vòi hoa sen từ các tia gamma. Các muon có thể được phát hiện trong các khoang nước ngầm và được sử dụng để phân biệt giữa các tia gamma và các sự kiện tia vũ trụ. Tia gamma được đánh giá cao vì chúng đi qua vũ trụ theo đường thẳng, và do đó quay trở lại nguồn của chúng. Ngược lại, các tia vũ trụ bị kéo vào quỹ đạo xoắn ốc bằng từ trường, làm cho nguồn gốc của chúng bị che khuất.

Để cải thiện khả năng phát hiện muon, nhóm nghiên cứu ASGamma của Tây Tạng đã chôn các máy dò bể nước cách mặt đất vài mét tại 64 địa điểm quanh khu vực ở Yangbajing, một thị trấn phía tây bắc Lhasa trên cao nguyên Tây Tạng, mang lại cho mảng này độ nhạy cao nhất thế giới đối với tia gamma trong 100 -TeV khu vực, nghiêm túc nói Masato Takita, một nhà vật lý thực nghiệm cho dự án tại Viện nghiên cứu vũ trụ của Đại học Tokyo ở Kashiwa, Nhật Bản. Với khả năng nâng cao, tôi tin rằng chúng ta có thể tìm thấy kết quả mà chưa ai từng tìm thấy trước đó, anh ấy nói thêm Huang Jing, nhà vật lý thiên văn tại Viện Vật lý Năng lượng Cao của Viện Hàn lâm Khoa học Trung Quốc ở Bắc Kinh.

Tinh vân Con cua, tàn dư của siêu tân tinh 1000 năm tuổi, đang phát ra ánh sáng tràn đầy năng lượng nhất từng được phát hiện.

NASA / ESA / J. DePasquale (STScI)

Và họ đã làm. Từ tháng 2 năm 2014 đến tháng 5 năm 2017, mảng này đã bắt được 24 tia gamma từ 100 TeV đến 450 TeV đến từ tinh vân Crab, nhóm 90 nhà nghiên cứu từ hai chục tổ chức báo cáo trong một bài báo được chấp nhận tại Tạp chí Vật lý. Các cuộc đình công đã phá vỡ người giữ kỷ lục trước đó: tia gamma 75-TeV được quan sát bởi thí nghiệm Thiên văn học Gamma Ray năng lượng cao nằm ở La Palma, một trong những Quần đảo Canary của Tây Ban Nha.

Mô hình hóa đã dự đoán sự tồn tại của các tia gamma năng lượng cao như vậy, vì vậy mặc dù phát hiện này không gây ngạc nhiên, nhưng nó vẫn cung cấp xác nhận có giá trị cho các giả định được hỗ trợ một cách mỏng manh bởi các quan sát, theo ông Felix Aharonia, nhà vật lý thiên văn tại Viện nghiên cứu nâng cao Dublin.

Các mô hình chỉ ra một quá trình gọi là tán xạ Compton nghịch đảo, trong đó từ trường của pulsar đánh bật các electron thành năng lượng cao hơn nhiều so với các máy gia tốc hạt trên Trái đất. Các electron sau đó đập vào các photon xung quanh tràn ngập vũ trụ như một phần của nền vi sóng vũ trụ và gửi chúng tăng tốc xuyên qua thiên hà. Các photon có thể nhận được một lượng năng lượng khổng lồ trong cú đá đó, ông Lewis Lewis nói. Kết quả cho thấy tinh vân Crab là máy gia tốc electron tự nhiên mạnh nhất được biết đến từ trước đến nay trong thiên hà của chúng ta, ông Huang Huang nói.

Lewis cho biết thêm rằng năng lượng quan sát được của các photon tia gamma đã tăng lên đều đặn nhờ các máy dò cải tiến. Ông tin rằng các hố đen siêu lớn nằm ở trung tâm các thiên hà có thể chứng minh là một nguồn tia gamma năng lượng cao khác.

Nhiều bằng chứng có thể đang trên đường với việc mở các đài quan sát mới. Mảng kính thiên văn Cherenkov đa quốc gia có thể được hoàn thành vào năm 2025 và Đài quan sát vòi hoa sen không khí độ cao lớn, một cơ sở đã hoàn thành một phần trên Cao nguyên Tây Tạng, bắt đầu quan sát vào tháng 4 và sẽ đạt tốc độ tối đa vào năm tới.

Tuy nhiên, hiện tại, thí nghiệm ASgamma của Tây Tạng đang dẫn đầu cuộc săn tìm nguồn PeVatrons Hồi giáo, các nguồn vật lý thiên văn có khả năng tăng tốc các photon tia gamma và tia vũ trụ lên tới một petaelectronvolt, hoặc 1000 TeV. Chúng tôi hy vọng sẽ xác định được rất nhiều PeVatrons, ông Huang Huang nói. Tín hiệu từ các nguồn 100 TeV khác ngoài tinh vân Con cua có thể đã bị ẩn trong dữ liệu thí nghiệm ASgamma của Tây Tạng, một khả năng mà Takita nói là hiện đang được phân tích.