白鳥座には巨大な「泡」が隠されています。ラッソは宇宙線の起源という「世紀の謎」を解明するのにどれくらい時間がかかるのでしょうか?

最近、四川省稲城県の標高4,410メートルに位置するLHAASO宇宙線観測所の科学者たちは、LHAASOを使用して、はくちょう座の星形成領域で直径1,000光年の巨大な超高エネルギーガンマ線バブル構造を発見しました。彼らは100兆電子ボルトを超えるエネルギーを持つ起源の天体を発見し、初の超宇宙線加速源を認定した。これは宇宙線の起源の謎を解くための重要な一歩です。この成果は2月26日、学術誌「サイエンス・ブレティン」の表紙記事として発表された。

宇宙線は宇宙から来る高速の荷電粒子です。主な構成要素は陽子ですが、さまざまな原子核、電子、およびいくつかの反物質粒子も含まれています。これらの粒子は、1912 年にオーストリアの物理学者ヴィクトール・ヘスが高高度気球実験によって初めて発見しました。その後、科学者たちは宇宙線の研究を通じて多数の素粒子を発見し、それが素粒子物理学の発展を促進しました。

宇宙線粒子のエネルギー分布範囲は非常に広く、最大 3×1020 電子ボルトに達します。これは、現在利用可能な最も強力な人工粒子加速器で加速できる最大粒子エネルギーの数千万倍に相当します。宇宙線がどのように生成され、なぜそれほど高いエネルギーを運ぶのかは、常に科学者を悩ませてきました。天の川銀河のどの天体が最終的に宇宙線を形成するエネルギーを生み出すのかは未解決の謎のままであり、過去10年間の研究のホットな話題となっている。

2019年から、「Lasso」は「建設と運用の同時実行」モードを採用し、検出器アレイは段階的にバッチで科学運用に移行しました。 2020年、ラッソは11か月以内に12個の超高エネルギーガンマ線源を検出し、当時の最高エネルギーの光子が白鳥座から最大1.4京電子ボルトまで来ていることを検出し、超高エネルギーガンマ天文学への扉を開きました。 「Lasso」は2021年7月にフルアレイの構築を完了した後、優れた検出器感度を活かして、1年以内に検出された超高エネルギーガンマ線源の数を43個に増やし、超強力なガンマ線源検出能力を実証しました。

白鳥座の星形成領域は、北天の天の川の中で最も明るい領域であり、いくつかの巨大な星団が存在します。大質量星の寿命はわずか数百万年であるため、星団の内部は激しく活動する星で満たされ、複雑で強い衝撃波環境があり、宇宙線の加速には理想的な場所となっています。注目度の高いこのエリアは、超高エネルギー宇宙線の発生源を探るのに最適な場所となり、「世紀の謎」を解く突破口となるだろう。

観測時間とデータが蓄積されるにつれ、研究チームは地球から5000光年離れた白鳥座の方向に、直径1000光年以上の巨大な超高エネルギーガンマ線バブル構造を発見した。 3年以上の観測を経て、ラッソはこの方向でエネルギーが40兆電子ボルトを超える光子を66個記録し、そのうち8個の光子はエネルギーが1千兆電子ボルトを超えていました。最高エネルギーは25000兆電子ボルトに達し、最高エネルギー光子の新記録を樹立しました。

ガンマ線バブル構造の中心部では、光子の分布がより集中しており、バブル構造内の平均光子密度よりも大幅に高くなっています。これは、泡構造の中心に宇宙線加速源が存在し、それが周囲に宇宙線を継続的に注入していることを示しており、この巨大な「泡」は超宇宙線加速源によって生成されている。

宇宙線のエネルギーをこれほどまでに高レベルまで加速できる天体とはどのようなものでしょうか？科学者たちは、白鳥座の星形成領域の中心部に位置する巨大な星団が、超宇宙線加速器に対応する天体である可能性が最も高いと考えています。

星団内の星のほとんどは若くて高温で、表面温度が数万度に達するものもあります。これらの星の放射線の強度は太陽の数百から数百万倍です。巨大な放射圧によって恒星の表面から物質が吹き出され、秒速数千キロメートルの強力な恒星風が形成されます。恒星風と周囲の星間物質との衝突、および恒星風同士の激しい衝突により、強い衝撃波と強い乱流の極端な環境が生成され、強力な粒子加速器となります。粒子が十分なエネルギーを得ると、加速領域から脱出し、宇宙線がより広い星間空間に広がります。

「ラゾ」の発見は、高エネルギー天体物理学者が数十年にわたって探し求めてきたペタ電子ボルト宇宙線加速源を初めて特定しただけでなく、天の川銀河の天体の粒子加速能力が従来のペタ電子ボルト限界を超えた可能性があることを示しており、宇宙線の起源の研究に重要な影響を与えるだろう。 「LASO」は観測時間が長くなるにつれ、1000兆電子ボルト以上のエネルギーを持つ宇宙線の加速源をさらに多く検出できる可能性があり、天の川銀河における宇宙線の起源の謎を解明できると期待されています。

（張重陽氏は中国科学院高エネルギー物理研究所のエンジニア、劉若宇氏は南京大学の研究者）