Na kitajskem observatoriju je LHAASO posnel 530 fotonov z energijo med 0,1 in 1,4 petaelektronvoltov iz 12 virov v Rimski cesti. Eden od njih se je izkazal kot Rakova meglica, natančne lokacije in narave drugih 11 virov ni bilo mogoče določiti. Takšna opazovanja potrjujejo obstoj galaktičnih pevatronov - kozmičnih pospeševalnikov v naši Galaksiji, ki pospešujejo delce do energij reda peteelektronvoltov. Njihova študija bo omogočila razumevanje, kaj so takšni predmeti in kateri fizikalni procesi so v njihovi osnovi. Članek je bil objavljen v reviji Nature.
Fiziki že več kot sto let vedo za obstoj kozmičnih žarkov - visokoenergijskih delcev, katerih viri so nezemeljski objekti. Energija takšnih delcev doseže ogromne vrednosti (do 1021 elektron voltov - sto milijonov krat več kot energija delcev v obroču LHC), vendar znanstveniki še vedno ne morejo z gotovostjo reči, kateri vesoljski objekti lahko povzročijo tak pospešek. Kandidati za take pospeševalnike so regije rojstva zvezd, pulzarji, ostanki supernove in masivne črne luknje, vendar doslej ni bilo mogoče nedvoumno povezati določenih kozmičnih objektov in kozmičnih žarkov z ultra visoko energijo.
Posebno zanimivi so kozmični žarki z energijami reda peteelektronvoltov: na tej točki energijskega spektra kozmičnih žarkov je tako imenovano "koleno" - prelom v krivulji tega spektra. Znanstveniki povezujejo tak prelom z različno naravo kozmičnih žarkov z nižjimi in višjimi energijskimi vrednostmi. Delci z energijami reda peteelektronvolta prihajajo na Zemljo iz vesoljskih pospeševalnikov znotraj Rimske ceste. Prav hipotetični viri takšnih delcev se imenujejo pevatroni. Kozmični žarki z veliko večjo energijo pa lahko dosežejo nas in druge galaksije, zato njihov tok pade.
Kljub temu do nedavnega v naši Galaksiji ni bilo mogoče zaznati pevatronov. Vir kozmičnih protonov z energijo do 0,04 peta elektronskih voltov so imenovali galaktično središče, zlasti supermasivna črna luknja v središču Rimske ceste. Toda določitev virov nabitih delcev je zapletena zaradi dejstva, da slednji med svojim gibanjem uspejo odstopiti od začetne poti zaradi močnih magnetnih polj v vesolju in okoli njihovih virov. V tem primeru fizikom pomagajo visokoenergetski fotoni, ki bi jih morali proizvajati v interakciji pospešenih protonov in drugih nabitih delcev s vesoljskim okoljem. Takšni gama kvanti, za razliko od nabitih delcev, ne odklonijo magnetnega polja, kar pomeni, da je položaj njihovega vira mogoče določiti iz smeri gibanja. Fiziki so takšno gama sevanje že zabeležili z energijami nekoliko nad 0,1 peta-elektron-volt, vendar preučevanje pevatronov zahteva stabilno registracijo fotonov z bistveno višjimi energijami.
Zhen Cao je skupaj s sodelavci predstavil rezultate meritev na observatoriju LHAASO: znanstvenikom je uspelo registrirati 530 fotonov z energijo od 0,1 do 1,4 petaelektronvoltov iz 12 virov v Rimski cesti. Sam observatorij je bil izstreljen aprila 2019 in je zasnovan za nadčutljivo registracijo kozmičnih žarkov in visokoenergetskih gama žarkov. Nahaja se na nadmorski višini 4410 metrov v kitajski provinci Sichuan in vključuje celoten kompleks različnih detektorjev, namenjenih za registracijo produktov interakcije kozmičnih delcev in zemeljske atmosfere - zračne prhe. Območje namestitve doseže 1 kvadratni kilometer, na katerem je enakomerno nameščenih 5195 scintilacijskih števcev in 1188 muonskih detektorjev, v središču katerega so 3 detektorji vode Cherenkov s skupno površino 78.000 kvadratnih metrov in 18 čerenkovskih detektorjev s široko vidno polje. Tak sistem detektorjev omogoča doseganje dobre kotne ločljivosti ene tretjine kota in energijske ločljivosti 20 odstotkov pri energiji registriranih delcev 0,1 peteelektronvolta.
Diagram observatorija LHAASO. Rdeče pike so scintilacijski števci, modre pike so muonski detektorji, modri pravokotniki so vodni detektorji Čerenkov, črni pravokotniki so detektorji Čerenkov s širokim vidnim poljem.
Statistična natančnost dejstva, da je vsak od 12 zaznanih predmetov vir gama kvantov z energijo več kot 0,1 petaelektronvoltov, se je izkazala za več kot 7σ. Največja energija gama kvantov 1,42 ± 0,13 petaelektrovoltov je bila zabeležena le pri enem od virov; za ostale predmete se ta vrednost giblje med 0,2 in 0,9 petaelektronvoltov. Izkazalo se je, da je eden od virov meglica Rakovica - ostanek eksplozije supernove pred tisoč leti. Za opazovalnico LHAASO je ta meglica vidna kot točka na zvezdnem nebu, ki se ne prekriva s podobnimi predmeti v vesolju. Zahvaljujoč temu so ga znanstveniki lahko samozavestno imenovali vir registriranih ultra-visokoenergetskih gama kvantov, to je v resnici prepoznali kot pevatron.
Položaj zaznanih virov na zvezdnem nebu.
Za preostalih 11 predmetov si avtorji dela niso zadali naloge ugotavljanja njihove narave. Kljub temu lokacija odkritih virov kaže, da so to lahko visokoenergetski protonski in elektronski pospeševalci, ki jih fiziki že poznajo: pulzarji, plerioni, ostanki supernov in kopice mladih masivnih zvezd. Zlasti eden od takih virov se lahko nahaja v regiji, ki tvori zvezde "Swan Cocoon", iz katere so na Zemljo že prispeli kvanti gama z visoko energijo. Poleg tega so znanstveniki merili energetske spektre zaznanih virov, kar bo pomagalo tudi pri preučevanju mehanizmov pevatronov. Dobljeni rezultati že kažejo na številčnost pevatronov v Rimski cesti, ne glede na njihovo naravo. V prihodnosti se bo prag sevalnega toka, ki ga opazovalnica LHAASO zahteva za registracijo vira gama kvantov ultra-visoke energije, zmanjšal vsaj za red velikosti. To pomeni, da bo število odkritih pevatronov hitro naraščalo, njihova opazovanja pa bodo fizikom omogočila razumevanje narave takšnih pospeševalnikov kozmičnih žarkov.
Energetski spektri sevanja iz treh virov in kotne porazdelitve njihove jakosti.
Pevatrone je mogoče iskati ne le z registracijo ultra-visokoenergijskih gama kvantov: astrofizikalni nevtrini lahko fizikom pomagajo tudi pri tej nalogi. O tem, kako in zakaj so ti najlažji delci registrirani z nevtrinskimi teleskopi, lahko preberete v našem gradivu "Who Shot".
