1LHAASO J1852+0050u: GeV-100TeV Gamma-ray emission Powered by Star-forming Region?

地球のはるか上空、チベット高原の希薄な空気の中に、ある並外れた現象を待ち構える巨大なセンサー群がある。これらのセンサーは、LHAASO（ラハソ）として知られる「高高度宇宙線観測施設」の一部であり、宇宙で最もエネルギーの高い粒子が残す、かすかで、かつ一瞬のサインを捉えるように設計されている。これらの粒子は「宇宙線」と呼ばれ、原子核であり、光速に近い速度で宇宙空間を突き進んでいる。約一世紀もの間、科学者たちは、これらの粒子がどこからこれほどの驚異的な速度を得ているのかという疑問を抱いてきた。一部の宇宙線が、死にゆく星の激しい爆発から来ていることは判明しているが、人類が持つ最も強力な粒子加速器が作り出せるエネルギーの100万倍にも達する、最も強力な粒子については、謎のまま残されている。「ペバトロン（PeVatron）」、すなわち粒子をこれほど極端なエネルギーまで加速できる天体の正体を突き止めることは、現代天文学における大きな探求の一つである。なぜなら、それが解明されれば、高エネルギー宇宙を動かしているエンジンがようやく明らかになるからである。

最近の研究において、研究者たちは、わし座の特定の空域に目を向けた。そこでは、高エネルギーのガンマ線による謎めいた光源が発見されていた。1LHAASO J1852+0050uとカタログ化されたこの光源は、100兆電子ボルトを超えるエネルギーで検出された、広大で拡散した放射の輝きである。パズルは、何がこの輝きを作り出しているのかを特定することであった。この領域には、二つの爆発した星の残骸や、パルサーとして知られる高速回転する中性子星を含む、既知の天体が密集している。LHAASOコラボレーションの研究者を中心とするチームは、これら馴染みのある天体のいずれかが原因なのか、それとももっとエキゾチックな何かが働いているのかを判断するために調査を開始した。

この謎を解くために、科学者たちは複数の望遠鏡からのデータを組み合わせた。彼らはLHAASOによる4年間の観測データを再検証し、高エネルギー・ガンマ線の詳細なマップを提供させた上で、これをより低エネルギーのガンマ線を観測するフェルミガンマ線宇宙望遠鏡（Fermi-LAT）の16年間のデータと対比させた。また、電波望遠鏡を用いて、領域内の目に見えない分子ガスを調査した。電波望遠鏡は、星が誕生する場所であるガスや塵の濃密な雲の存在を明らかにすることができる。これらの異なる視点を編み合わせることで、研究者たちは、主光源のかすかな信号を周囲の天体の眩しさから分離することに成功した。その結果、ガンマ線の輝きは単一の点ではなく、活気に満ちた新しい星の保育園（ナーサリー）と重なり合う、広がった領域であることが判明した。

チームが最初に検討した容疑者は、約20万年間回転し続けている高密度で回転する星、すなわち中年期のパルサーであった。パルサーは、ガンマ線を放出しうる高エネルギー粒子の雲を作り出すことで知られている。しかし、研究者がこの特定のパルサーが観測された量のエネルギーを生み出せるかどうかを確認するためにシミュレーションを行ったところ、数値が一致しなかった。このパルサーには、LHAOによって観測された明るい高エネルギーの輝きを説明できるほどのパワーが、単純に不足していたのである。チームは近くにある爆発した星の残骸についても調査したが、距離やこの領域における特定のガスの種類から、それらが主要な光源である可能性は否定された。証拠は、これら激しい爆発による起源から遠ざかっていた。

代わりに、データは、より継続的でありながら、同様に激しいプロセスを示唆していた。それは、大質量星の誕生である。ガンマ線源は、星形成の原材料である分子ガスの濃密な雲の真上に位置している。この雲の中には、G34.26+0.15として知られる特定の領域があり、そこは現在、大質量星が誕生している場所である。研究者たちは、フェルミ衛星によって検出された低エネルギーのガンマ線が若い形成中の星の場所と一致しており、一方でLHAOによって検出された最高エネルギーのガンマ線は、同じ星団内にある、完全に形成された大質量星の存在と一致していることを見出した。

科学者たちは、この放射に対して二段階の説明を提唱している。彼らは、低エネルギーのガンマ線は、若い形成中の星々からの強力なジェットや流出によって加速された陽子によって生成されていると考えている。これらの若い星々は、依然として質量を集めている最中であり、そのエネルギーに満ちた活動が周囲のガスをかき乱し、粒子を高速度へと加速させている。そして、100兆電子ボルトに達する最高エネルギーのガンマ線は、同じ星団内にある、より強力な風を持つ成熟した大質量星によって生成されている可能性が高い。これらの大質量星は、物質を凄まじい速度で宇宙空間へと吹き出し、衝撃波を作り出すことで、観測された放射を生み出すために必要な極端なエネルギーまで粒子を加速させることができるのである。

研究は、この星形成領域がおそらく「ペバトロン」であることを結論づけている。つまり、星の劇的な死の領域にのみ属すると考えられていたエネルギーまで宇宙線を押し上げる、天然の粒子加速器であるということだ。研究者たちの推定によれば、この星団には20から200の間の大質量星が含まれており、それらの合計の風が、この高エネルギー放射を維持するために必要なエネルギーを提供している。領域内に隠れた、目に見えない他のパルサーが存在する可能性を完全に排除することはできないものの、証拠は、星形成領域が支配的なエンジンであることを強く支持している。この発見は、宇宙線の理解に新たな章を加え、星が生まれる混沌としたエネルギーに満ちた保育園が、星の破滅的な死と同じくらい、宇宙で最もエネルギーの高い粒子を作り出す能力を持っていることを示唆している。