中国の大高空空気シャワー観測所（LHAASO）は、宇宙で発見された最強の粒子加速器を特定しました。この物体は白鳥座X-3で、白鳥座に位置する二重星系で、地球から約7,200光年の距離にあります。科学者たちは、これが宇宙線粒子を少なくとも30ペタ電子ボルト（PeV）のエネルギーまで加速できることを確認しました。この発見はLHAASOチームによって『国家科学レビュー』誌に発表されました。LHAASOの主任研究員であり、中国科学院の院士である曹震がこの研究を指導しました。
この発見の重要性は、数十年にわたって存在していた理論的制限を突破したことにあります。以前の主流理論では、銀河系内の帯電粒子は約1 PeVのエネルギーまでしか加速できないと考えられていましたが、白鳥座X-3は30倍のエネルギーを実現しました。それに対して、欧州原子核研究機構（CERN）の大型ハドロン衝突型加速器（LHC）が達成した衝突エネルギーは14 TeV、すなわち0.014 PeVです。白鳥座X-3の性能は約2,000倍高いことになります。
白鳥座X-3のエネルギーが理論的制限を突破
30 PeVというエネルギーは上限を突破しています。約1 PeVの上限は偶然の数字ではなく、宇宙線エネルギースペクトルの中で「膝」と呼ばれる著名な特徴に対応しており、ここでスペクトルの傾きが明らかに急になります。数十年にわたり、科学者たちはこの特徴が銀河加速器が達成できる最大エネルギーを反映していると考えてきました。LHAASOは1 PeVを超えるPeVatronを系統的に発見しており、初期の発見には蟹状星雲や1から2 PeVの範囲内にある他のいくつかの源が含まれています。今回の30 PeVでの検出は、これまで記録された中で最大のエネルギーのジャンプです。
一部の研究者は、白鳥座X-3を「超PeVatron」と分類しています。
白鳥座X-3はミニクエーサーであり、コンパクトな天体で、ブラックホールまたは中性子星であり、大質量の伴星とペアになっています。コンパクトな物体は伴星の恒星風から物質を吸収します。これらの落ち込んだ物質は相対論的ジェットを駆動し、これにより粒子が非常に高いエネルギーまで加速されます。最も注目すべき結果は、超高エネルギーガンマ線信号が定常的ではなく、脈動を示すことです。LHAASOは信号中に4.8時間の周期性を検出し、これはこの二重星系の既知の軌道周期と一致しています。これにより、白鳥座X-3は初めて識別された変動する超高エネルギーガンマ線源となりました。
ガンマ線のフラッシュは、アメリカ航空宇宙局（NASA）のフェルミ衛星の同期観測とも関連しています。同じ物理イベントが異なるエネルギースケールで記録されています。
これらのフラッシュを分析することにより、研究者たちは粒子加速領域を約太陽半径の3倍の範囲に制限しました。この狭い範囲はコンパクトな物体の周囲に位置し、30 PeVのエネルギーの大部分が個々の粒子に転送される場所です。これらの結果は、ブラックホールや中性子星の近くで発生する物理過程の研究に新たな道を開きました。このような物体がどのようにしてエネルギーを個々の粒子にこの極端なレベルまで転送できるのかを理解することは、この単一のシステムを超えた研究にとって重要な意味を持ちます。これは、銀河系内のより広範なコンパクト二重星系の研究のためのテンプレートを提供します。
LHAASOは中国西南部の四川省に位置し、標高約14,468フィート（4,410メートル）、面積は1.36平方キロメートルで、中国科学院高エネルギー物理研究所が運営しています。この観測所は全面運用以来、一連の重要な宇宙線およびガンマ線の発見を生み出しています。白鳥座X-3の結果は、これまでに確認された最高エネルギーの検出です。