El gran observatorio de lluvias de aire a gran altitud (LHAASO), una de las principales instalaciones de infraestructura de ciencia y tecnología nacionales de China, ha medido con precisión el brillo de más de 3,5 órdenes de magnitud de la vela estándar en astronomía de alta energía, calibrando así un nuevo estándar para fuentes de rayos gamma de energía ultra alta (UHE). La vela estándar es la famosa Nebulosa del Cangrejo, que evolucionó a partir de la "estrella invitada" registrada por los astrónomos imperiales de la dinastía Song de China.

LHAASO también ha descubierto un fotón con una energía de 1,1 PeV (1 PeV =un cuatrillón de electronvoltios), lo que indica la presencia de un acelerador de electrones extremadamente poderoso, aproximadamente una décima parte del tamaño del sistema solar, ubicado en la región central de la Nebulosa del Cangrejo. El acelerador puede energizar electrones a un nivel 20, 000 veces mayor de lo que el Gran Colisionador de Electrones y Positrones (LEP) del CERN puede lograr, acercándose así al límite teórico absoluto planteado por la electrodinámica clásica y la magnetohidrodinámica ideal.

Los resultados se publicarán en Ciencias el 8 de julio. La Colaboración Internacional LHAASO, que está dirigido por el Instituto de Física de Altas Energías de la Academia de Ciencias de China, completó este estudio.

La Nebulosa del Cangrejo es 6, 500 años luz de la Tierra. Nació en una brillante explosión de supernova en 1054 dC. Es el primer remanente de supernova identificado por la astronomía moderna con un claro registro histórico. La nebulosa alberga un púlsar energético con un período de 30 milisegundos. La magnetosfera de rápida rotación del púlsar impulsa un poderoso viento compuesto por pares de electrones y positrones que se mueven casi a la velocidad de la luz. Los electrones / positrones en el viento del púlsar se aceleran aún más a energías más altas una vez que el viento se encuentra con el medio ambiente. La nebulosa es producida por la radiación de los electrones / positrones acelerados.

La Nebulosa del Cangrejo es una de las pocas fuentes que se ha medido en todas las bandas de energía, es decir., radio, infrarrojo, óptico, ultravioleta, Rayos X y rayos gamma. Su espectro ha sido estudiado extensamente durante décadas por muchos observadores. Como fuente de alta energía brillante y estable, la Nebulosa del Cangrejo se considera la vela estándar para muchas bandas de energía diferentes. En esta capacidad, sirve como referencia para la medición de otras fuentes.

LHAASO ha medido el espectro de la Nebulosa del Cangrejo en el extremo de mayor energía, cubriendo el amplio rango de 0,0005-1,1 PeV. Ha confirmado mediciones de las últimas décadas. También ha logrado una medición precisa en la banda UHE (0.3-1.1 PeV) por primera vez, calibrando así el brillo de la vela estándar en un rango de energía sin precedentes.

Entre las 12 fuentes de rayos gamma UHE descubiertas anteriormente por LHAASO, la Nebulosa del Cangrejo fue identificada como una de las dos fuentes capaces de emitir fotones PeV, y es la única fuente con una contraparte astrofísica definida. El fotón medido de 1,1 PeV proporciona evidencia directa de la aceleración de electrones de 2,3 PeV en la fuente. Tal energía es de aproximadamente 20, 000 veces la energía máxima alcanzable del acelerador de electrones artificial más potente, la LEP, que es el predecesor del LHC. Dado que los electrones de alta energía sufren una fuerte pérdida de energía en un campo magnético, el acelerador de la Nebulosa del Cangrejo debe funcionar con una eficiencia increíblemente alta para equilibrar la enorme pérdida de energía. Según la medición de LHAASO, su eficiencia de aceleración puede alcanzar el 15% del límite superior teórico, superando así el de la onda expansiva de supernova por un factor de 1, 000. Esto plantea desafíos al paradigma estándar de aceleración de electrones en astrofísica de alta energía. Un análisis y una discusión en profundidad de este tema se detallan en el documento actual en Ciencias .

LHAASO es una importante instalación de infraestructura científica y tecnológica nacional que se centra en la observación y la investigación de rayos cósmicos. Se encuentra en 4, 410 metros sobre el nivel del mar en el monte Haizi en el condado de Daocheng, La provincia de Sichuan y cubre un área de aproximadamente 1,36 km ² . Está compuesto por 5, 195 detectores de partículas electromagnéticas y 1, 188 detectores de muones ubicados en la matriz compleja de kilómetros cuadrados, un 78, 000 m ² matriz de detectores de agua Cherenkov, y 18 telescopios Cherenkov de amplio campo de visión. Usando estas cuatro técnicas, LHAASO podrá medir las lluvias de aire generadas por rayos cósmicos o rayos gamma omnidireccionalmente con múltiples variables simultáneamente.

Información básica sobre las partículas incidentes, como la dirección de llegada, tipo y energía, se puede medir a través de la reconstrucción de las duchas. El descubrimiento recientemente publicado demuestra que LHAASO es capaz de verificar las mediciones utilizando múltiples técnicas de detección, asegurando así resultados fiables y precisos. LHAASO se completará este mes y se pondrá en funcionamiento. Con la expectativa de detectar 1-2 fotones con energías de alrededor de 1 PeV de la Nebulosa del Cangrejo cada año, El rompecabezas del acelerador de electrones PeV cósmico se resolverá en los próximos años.