Il grande osservatorio delle piogge d'aria ad alta quota (LHAASO), una delle principali strutture infrastrutturali scientifiche e tecnologiche nazionali della Cina, ha misurato con precisione la luminosità su 3,5 ordini di grandezza della candela standard nell'astronomia ad alta energia, calibrando così un nuovo standard per le sorgenti di raggi gamma ad altissima energia (UHE). La candela standard è la famosa Nebulosa del Granchio, che si è evoluto dalla "guest star" registrata dagli astronomi imperiali della dinastia Song cinese.

LHAASO ha anche scoperto un fotone con un'energia di 1,1 PeV (1 PeV =un quadrilione di elettronvolt), indicando la presenza di un acceleratore di elettroni estremamente potente, circa un decimo delle dimensioni del sistema solare, situato nella regione centrale della Nebulosa del Granchio. L'acceleratore può energizzare gli elettroni a un livello 20, 000 volte maggiore di quello che il Large Electron-Positron Collider (LEP) del CERN potrà mai raggiungere, avvicinandosi così al limite teorico assoluto posto dall'elettrodinamica classica e dalla magnetoidrodinamica ideale.

I risultati saranno pubblicati in Scienza l'8 luglio. La collaborazione internazionale LHAASO, che è guidato dall'Istituto di Fisica delle Alte Energie dell'Accademia Cinese delle Scienze, completato questo studio.

La Nebulosa Granchio è 6, 500 anni luce dalla Terra. È nato in una brillante esplosione di supernova nel 1054 d.C. È il primo residuo di supernova identificato dall'astronomia moderna con un chiaro record storico. La nebulosa ospita una pulsar energetica con un periodo di 30 millisecondi. La magnetosfera in rapida rotazione della pulsar spinge un potente vento composto da coppie elettrone-positrone che si muovono quasi alla velocità della luce. Gli elettroni/positroni nel vento della pulsar accelerano ulteriormente a energie più elevate una volta che il vento incontra il mezzo ambientale. La nebulosa è prodotta dalla radiazione degli elettroni/positroni accelerati.

La Nebulosa del Granchio è una delle poche sorgenti che è stata misurata in tutte le bande di energia, cioè., Radio, infrarossi, ottico, ultravioletto, Raggi X e raggi gamma. Il suo spettro è stato ampiamente studiato per decenni da molti osservatori. Come fonte ad alta energia luminosa e stabile, la Nebulosa del Granchio è considerata la candela standard per molte diverse bande energetiche. In questa veste, serve come riferimento per la misurazione di altre fonti.

LHAASO ha misurato lo spettro della Nebulosa del Granchio all'estremità a più alta energia, coprendo l'ampia gamma 0,0005-1,1 PeV. Ha confermato le misurazioni degli ultimi decenni. Ha anche ottenuto per la prima volta una misurazione accurata nella banda UHE (0,3-1,1 PeV), calibrando così la luminosità della candela standard su un intervallo di energia così senza precedenti.

Tra le 12 sorgenti di raggi gamma UHE scoperte in precedenza da LHAASO, la Nebulosa del Granchio è stata identificata come una delle due sorgenti in grado di emettere fotoni PeV, ed è l'unica fonte con una controparte astrofisica definita. Il fotone 1,1 PeV misurato fornisce una prova diretta dell'accelerazione di 2,3 elettroni PeV nella sorgente. Tale energia è di circa 20, 000 volte l'energia massima ottenibile del più potente acceleratore di elettroni creato dall'uomo, il LEP, che è il predecessore dell'LHC. Poiché gli elettroni ad alta energia subiscono una forte perdita di energia in un campo magnetico, l'acceleratore nella Nebulosa del Granchio deve funzionare con un'efficienza incredibilmente elevata per bilanciare l'enorme perdita di energia. Secondo la misurazione LHAASO, la sua efficienza di accelerazione può raggiungere il 15% del limite superiore teorico, superando così quella dell'onda d'urto della supernova di un fattore 1, 000. Ciò pone delle sfide al paradigma standard dell'accelerazione degli elettroni nell'astrofisica delle alte energie. Un'analisi e una discussione approfondite di questo argomento sono dettagliate nell'attuale documento in Scienza .

LHAASO è un'importante struttura infrastrutturale scientifica e tecnologica nazionale incentrata sull'osservazione e la ricerca sui raggi cosmici. Si trova a 4, 410 metri sul livello del mare sul monte Haizi nella contea di Daocheng, Provincia del Sichuan e copre un'area di circa 1,36 km ² . È composto da 5, 195 rilevatori di particelle elettromagnetiche e 1, 188 rivelatori di muoni situati nell'array complesso di chilometri quadrati, un 78, 000 m ² array di rivelatori di acqua Cherenkov, e 18 telescopi Cherenkov ad ampio campo visivo. Utilizzando queste quattro tecniche, LHAASO sarà in grado di misurare gli sciami d'aria generati da raggi cosmici o raggi gamma in modo omnidirezionale con più variabili contemporaneamente.

Informazioni di base sulle particelle incidenti, come la direzione di arrivo, tipo ed energia, misurabile attraverso la ricostruzione delle docce. La scoperta appena pubblicata dimostra che LHAASO è in grado di effettuare un controllo incrociato delle misurazioni utilizzando più tecniche di rilevamento, garantendo così risultati affidabili e accurati. LHAASO sarà completato questo mese e messo in funzione. Con l'aspettativa di rilevare 1-2 fotoni con energie di circa 1 PeV dalla Nebulosa del Granchio ogni anno, il puzzle dell'acceleratore di elettroni PeV cosmico verrà svelato nei prossimi anni.