211service.com
Krabbnebulosan sprängde precis jorden med de fotoner med högsta energi som någonsin registrerats
Krabbanebulosan NASA
Den tibetanska platån är en vidsträckt hög slätt nästan fem kilometer över havet, ibland kallad världens tak. Det gränsar i söder av världens högsta bergskedja och i norr av ökenland. Det är en av de mest isolerade platserna på jorden.
Men den extrema höjden gör det till en användbar plats för forskare. 1990 byggde de ett observatorium här för att studera skurarna av subatomära partiklar som regnar ner från den övre atmosfären när den träffas av en kosmisk stråle med hög energi. Detta arbete görs bättre på hög höjd eftersom det finns mindre atmosfär för att absorbera partiklarna.
Sedan dess har den så kallade Tibet Air Shower Array registrerat ett stort antal kosmiska strålar med hög energi, partiklar som accelererats till enorma energier av astrofysiska fenomen som supernovor, aktiva galaktiska kärnor och mystiska ännu oidentifierade källor.
Men arrayen plockar också upp luftduschar orsakade av en annan källa - högenergifotoner. Dessa mystiska fotoner skapas också av astrofysiska fenomen som interaktionen mellan högenergipartiklar och den kosmiska mikrovågsbakgrunden. Följaktligen kan de ge en unik inblick i dessa processer och de miljöer där de förekommer.
Under åren har Tibet Air Shower Array upptäckt massor av dessa fotoner med energier upp till dussintals teraelektronvolt (TeV 1012). Det motsvarar ungefär de fotoner med högst energi som kan skapas på jorden. Men ingen har någonsin observerat mer kraftfulla fotoner.
Tills nu. Idag säger forskare från Tibet Air Shower Gamma Collaboration att de har observerat fotoner med energier över 100 TeV för första gången, inklusive en anmärkningsvärd foton med en energi på nästan 500 TeV. Denna enda foton har ungefär samma energi som en fallande pingisboll och är den foton med högsta energi som någonsin registrerats.
Samarbetet har också utarbetat var dessa fotoner kommer ifrån: Krabbnebulosan, resterna av en supernova som observerades första gången 1054 e.Kr. i Vintergatans Perseus arm, cirka 6 500 ljusår från jorden.
I mitten av denna nebulosa finns en pulsar, en neutronstjärna som snurrar med en hastighet av 30 gånger i sekunden och sänder ut elektromagnetiska pulser över ett brett spektrum av frekvenser. Även om Krabbnebulosan inte är synlig för blotta ögat – den är ungefär samma ljusstyrka som Saturnus måne Titan – är den den ljusaste källan på natthimlen av röntgen- och gammastrålar med energier över 30 KeV.
Det gör det av stort intresse för astronomer. En fråga som fascinerar dem är hur energiska dessa fotoner kan bli och vad fördelningen av fotonenergier säger dem om förhållandena inuti nebulosan.
Fotoner av denna energi tros skapas genom en process som kallas invers Compton-spridning. Detta inträffar när en högenergipartikel överför sin energi till en foton. När det gäller Krabbnebulosan är högenergipartiklarna förmodligen elektroner och protoner som accelereras av stötvågor i de kraftfulla magnetfält som omger pulsaren. Detta ger dem energier i sub-petaelectronvolt (1015) intervallet.
Som jämförelse har Large Hadron Collider, världens mest kraftfulla partikelaccelerator, en kollisionsenergi på 14 TeV.
Dessa partiklar överför sedan sin energi till fotoner som blivit över från Big Bang, som kallas den kosmiska mikrovågsbakgrunden, vilket ger dem hundratals TeV. Dessa är fotoner som detekteras av Tibet Air Shower Array. Detta är den första upptäckten av fotoner med högst energi över 100 TeV från en astrofysisk källa, och därmed öppnar de upp sub-PeV-fönstret inom astronomi, säger de.
Detta avslöjar exakt vilka typer av förhållanden som måste finnas inne i nebulosan. I synnerhet avslöjar den storleken på de stötvågor som passerar genom magnetfält. Och det i sin tur lyser lite ljus på de processer som måste generera dessa chockvågor.
Olika teorier förutspår en gräns för den energi som fotoner kan få på detta sätt. Men Tibetsamarbetet har hittills inte hittat några tecken på det. Det kan vara så att fotoner med exaelektronvolt (1018) produceras på detta sätt. I så fall skulle en enda foton ha energin som en luftgevärskula. 1991 mätte fysiker en kosmisk stråle med en energi på 300 EeV, den så kallade Oh-My-God-partikeln, den högsta energipartikel som någonsin registrerats.
Men först kommer ytterligare bevis att behövas från Tibetsamarbetet och andra grupper för att hjälpa till att finjustera astrofysiska teorier om exakt vad som händer i dessa mest extrema miljöer i universum.
Ref: https://arxiv.org/abs/1906.05521 : Första upptäckten av fotoner med energi över 100 TeV från en astrofysisk källa