かに星雲の電子発射装置は非常に強力で、存在するはずがないほどだ

1960 年代から 2000 年代にかけて、スタンフォード線形加速器センター (SLAC) の物理学者たちは、可能な限りのエネルギーで電子を関連粒子に打ち込んだ。研究者たちは素粒子の内部をのぞき込み、2 つの基本粒子を発見し、その功績により 3 つのノーベル賞を受賞した。長さ 2 マイルの加速器は、電子に数百億「電子ボルト」に達するエネルギー (素粒子物理学の特異な単位) を注入した。これは比類のない工学上の偉業である。

現在、天体物理学者たちは別の極限の機械を使って、SLAC を豆鉄砲のように見せる天然の電子バズーカを発見した。

過去 1 年ほどの間に、中国南西部の山岳地帯にある巨大な施設で、高層大気に衝突した 1 本の高エネルギー光線 (ガンマ線) によって生成された粒子のシャワーを 2 回観測しました。どちらのガンマ線もかに星雲から発生したとみられ、この有名な超新星残骸にこれまで確認された中で最も強力な電子加速器が眠っていることを示しています。ガンマ線は、理論家が考えていた可能性をはるかに超える、数百万億電子ボルト、つまり「ペタ電子ボルト (PeV)」というレベルのエネルギーを運びました。

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「私たちは何十年もの間、0.1ペタ電子ボルトのイベントを検出することを夢見てきました」と、ダブリン高等研究所の天体物理学者で、この検出を実現した共同研究チームのメンバーであるフェリックス・アハロニアン氏は言う。「1ペタ電子ボルトのガンマ線を検出できるとは誰も予想していませんでした。」

未来的な施設

超新星のような自然の加速器が電子を放出すると、荷電粒子は宇宙の多くの磁場をループ状に無秩序に通過し、どこから来たのかが分からない。しかし、そのような粒子が発射直後に遍在するマイクロ波に突入すると、衝突によってガンマ線フラッシュが放出され、まっすぐに飛んでいく。これらの銀河間の使者によって生成される粒子シャワーを探すことは、大型高高度空気シャワー観測所 (LHAASO) のミッションの 1 つである。

LHASSO は中国四川省の海子山の海抜約 3 マイルに位置し、そこで宇宙線やガンマ線が地球の大気圏に衝突して放出された数千の電子やその他の粒子、破片のカスケードを探知します。この施設は地上と地下を合わせた 1 平方キロメートル以上の広さに及ぶ複数の種類の検出器を備えており、これまでの主要機器の 10 倍の広さです。

地上にある 5,000 台以上の検出器は、宇宙線とガンマ線の衝突後に降り注ぐ粒子の集合を監視し、地下にある 1,000 台以上の検出器はミューオンのみを感知します。これらの重い電子の同族は宇宙線シャワー中に頻繁に出現しますが (ガンマ線シャワー中はそれほど頻繁ではありません)、研究者はミューオンを排除して、地上にある他の機器では匹敵できない精度でガンマ線の衝突のみに焦点を当てることができます。

「人々はこれを現在稼働している未来の施設と呼んでいます」 アハロニアン氏は言う。

2つの眩しいガンマ線

最近まで、LHAASO は建設中だった。そして、天文学者が新しい望遠鏡を調整するときによく最初に行うことの 1 つは、かに星雲を観測することだ。かに星雲は 1054 年に中国の天文学者によって発見された超新星の残骸であり、空で最も徹底的に研究されている天体の 1 つである。「それは空のスーパースターです」とアハロニアン氏は言う。「私たちはそれを標準光源と呼ぶこともあります。」

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かに星雲は LHAASO の上空を毎日約 7 時間通過するため、共同研究チームが活動を拡大するなか、施設で働く科学者たちは何千時間もかけてかに星雲の観測を続けた。すべては予想どおりに見えたが、2 つの驚きがあった。

昨年 1 月 11 日、約 5,000 個の入射粒子が約 400 個の地表検出器を照らし、地下のセンサーに到達したのはわずか数個のミューオンでした。これは、大気圏に衝突した 0.9 PeV ガンマ線から降り注ぐと予想される量です。

今年1月4日、かに星雲は再び爆発し、今度はさらに強力なガンマ線が約1.1 PeVを記録した。当時、この光子は地球上で記録された最も高いエネルギーの光線だった（LHAASOはその後、まったく異なる種類の発生源から1.4 PeVのガンマ線を記録している）。研究チームは昨日、その発見をサイエンス誌に発表した。

記録はさておき、研究者たちが本当に興味をそそられているのは、光線そのものではなく、最初に閃光を地球に向かって一直線に飛ばした高速の電子、そして電子をそのような前代未聞のエネルギーに加速できる巨大な宇宙のハードウェアである。

「1 PeV というのは本当に驚きです」とアハロニアン氏は言う。「Crab がエネルギー変換と粒子加速のための超効率的な装置であることはわかっていました。しかし今では、『超』という言葉でさえ少し控えめすぎるかもしれないことがわかりました。」

非常に効率的な装置

では、かに星雲はどのようにしてこのような活発な電子を吐き出しているのでしょうか? 天体物理学者たちは大まかな見当をつけています。

雲の中心にはパルサーがある。パルサーは幅 18 マイルの中性子星で、毎秒約 30 回激しく回転している。この回転する恒星の殻から、電子とその反物質のパートナーの「風」が光速のかなりの割合で外側に吹き出す。最終的に、この電子の嵐は周囲の塵の雲に激突し、電子やその他の粒子の衝撃波を放出する (その一部は LHAASO が捉えた種類のガンマ線光子を放出する)。

アハロニアン氏によると、課題は最後の段階、つまり風がどのようにして電子を1ペタ電子ボルトのガンマ線を作るのに十分な勢いで飛ばすのかを理解することだ。電子を飛ばすには強力な局所磁場が必要だが、より強力な磁場は電子が通過する際により多くの粒子を放出する原因にもなる（これは一種の抗力作用を引き起こすが、技術者たちはSLACのような地上設置型加速器を建設する際にこれを最小限にとどめるのに苦労してきた）。

それでも、かにパルサーは、昨年 LHAASO に向かってガンマ線を送った 2 つの電子に、電子風のエネルギーのほとんどすべてをなんとか渡すことに成功しました。LHAASO の観測に基づくと、パルサーはおそらく毎秒十分な PeV 電子を発射しており、これらの粒子だけで太陽全体がすべての波長で放射するエネルギーと同じだけのエネルギーを運び去っていると考えられます。天体物理学者は、最も活発な電子にこれほど多くのエネルギーがどのようにして入るのかに困惑しています。

「これは現実の限界です」とアハロニアン氏は言う。「単なる衝撃加速ではだめです。何か特別なものでなければなりません。」

LHAASO は、建設中に、その潜在能力の約半分で稼働していたときに、これら 2 つの超高エネルギー光線 (および、それよりわずかにエネルギーが劣る多数の光子) を発見しました。施設が完全な感度に達した今、共同研究チームは、かに星雲の可能性についてさらに詳細な情報を収集するために、少なくとも 10 年を費やすことを楽しみにしています。

「数年後には多くのことが分かるようになるでしょうし、驚くようなことが起こるかもしれません」とアハロニアン氏は言う。

訂正 2021 年 7 月 13 日:この記事の以前のバージョンでは、加速された電子がガンマ線を生成する仕組みについて誤って記載されていました。電子はガス雲ではなくマイクロ波を通って移動する必要があります。