Należąca do NASA Fermi nie widzi żadnych promieni gamma pobliskiej supernowej

Obserwacje SN 2023ixf w 2023 roku doprowadziły do ​​zaskakujących wyników dotyczących wytwarzania promieni kosmicznych przez supernowe, co może mieć potencjalne implikacje dla zrozumienia pochodzenia promieni kosmicznych i mechanizmów przyspieszania.

W 2023 roku pobliska supernowa zapewniła astrofizykom doskonałą okazję do przetestowania pomysłów na temat tego, w jaki sposób tego typu eksplozje rozpędzają cząstki, zwane promieniami kosmicznymi, do prędkości bliskich prędkości światła. Jednak, co zaskakujące, należący do NASA Kosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermi nie wykrył żadnego wysokoenergetycznego światła gamma, jakie powinny wytwarzać te cząstki.

18 maja 2023 roku w pobliskiej Galaktyce Wiatraczek (Messier 101), znajdującej się około 22 milionów lat świetlnych od nas, w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy, wybuchła supernowa. Zdarzenie, zwane SN 2023ixf, jest najjaśniejszą pobliską supernową odkrytą od czasu wystrzelenia Fermiego w 2008 roku.

Nieoczekiwane wyniki z teleskopu Fermiego

„Astrofizycy oszacowali wcześniej, że supernowe przekształcają około 10% swojej całkowitej energii w przyspieszone promienie kosmiczne” – powiedział Guillem Martí Devesa, badacz z Uniwersytetu w Trieście we Włoszech. „Ale nigdy nie obserwowaliśmy tego procesu bezpośrednio. Dzięki nowym obserwacjom SN 2023ixf nasze obliczenia prowadzą do konwersji energii na poziomie zaledwie 1% w ciągu kilku dni po eksplozji. Nie wyklucza to supernowych jako fabryk promieni kosmicznych, ale oznacza to, że musimy dowiedzieć się więcej o jego produkcji.

Artykuł ten, napisany pod kierunkiem Marttiego Devesy podczas studiów na Uniwersytecie w Innsbrucku w Austrii, ukaże się w przyszłym wydaniu czasopisma Astronomia i astrofizyka.

Nawet jeśli promienie gamma nie zostaną wykryte, NASAKosmiczny Teleskop Promieniowania Gamma Fermiego firmy Fermi pomaga astronomom dowiedzieć się więcej o wszechświecie. Źródło: Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda NASA

Promienie kosmiczne i ich pochodzenie

Codziennie biliony promieni kosmicznych zderzają się z ziemską atmosferą. Około 90% z nich to jądra wodoru – czyli protony – a reszta to elektrony lub jądra cięższych pierwiastków.

Naukowcy badają pochodzenie promieni kosmicznych od początku XX wieku, ale nie można prześledzić ich źródeł. Ponieważ są naładowane elektrycznie, promienie kosmiczne zmieniają swoją ścieżkę podczas podróży do Ziemi dzięki napotkanym polom magnetycznym.

„Promienie gamma docierają bezpośrednio do nas” – powiedziała Elizabeth Hayes, naukowiec projektu Fermi w Centrum Lotów Kosmicznych Goddarda w Greenbelt w stanie Maryland należącym do NASA. „Promienie kosmiczne wytwarzają promienie gamma, gdy oddziałują z materią w swoim otoczeniu. Fermi jest najczulszym teleskopem promieniowania gamma na orbicie, więc jeśli nie wykryje oczekiwanego sygnału, naukowcy muszą wyjaśnić jego brak dokładniejszy obraz pochodzenia promieni kosmicznych.

48-calowy teleskop Obserwatorium Freda Lawrence'a Whipple'a wykonał zdjęcie Galaktyki Wiatraczek (Messier 101) w świetle widzialnym w czerwcu 2023 r. Lokalizacja supernowej 2023ixf jest zakreślona kółkiem. Obserwatorium zlokalizowane na górze Hopkins w Arizonie jest obsługiwane przez Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Źródło: Hiramatsu i in. 2023/Sebastian Gomez (STScI)

Supernowe jako akceleratory promieniowania kosmicznego

Astrofizycy od dawna podejrzewali, że supernowe są największym źródłem promieniowania kosmicznego.

Do eksplozji tych dochodzi, gdy w gwieździe o masie co najmniej ośmiokrotnie większej od masy Słońca kończy się paliwo. Jądro zapada się, a następnie odbija, wypychając falę uderzeniową na zewnątrz przez gwiazdę. Fala uderzeniowa przyspiesza cząstki, tworząc promienie kosmiczne. Kiedy promienie kosmiczne zderzają się z inną materią i światłem otaczającym gwiazdę, generują promienie gamma.

Supernowe mają ogromny wpływ na środowisko międzygwiazdowe w galaktyce. Fale uderzeniowe i rozszerzająca się chmura gruzu mogą trwać ponad 50 000 lat. W 2013 roku pomiary Fermiego wykazały, że na naszej planecie istnieją pozostałości po supernowych droga Mleczna Galaktyki przyspieszały promienie kosmiczne, które generują światło gamma, gdy zderzają się z materią międzygwiazdową. Astronomowie twierdzą jednak, że pozostałości nie wytwarzają wystarczającej liczby cząstek o wysokiej energii, aby dorównać pomiarom naukowców na Ziemi.

Jedna z teorii sugeruje, że supernowe mogą przyspieszać najbardziej energetyczne promienie kosmiczne w naszej galaktyce w ciągu pierwszych kilku dni i tygodni po początkowej eksplozji.

Ale supernowe są rzadkie i zdarzają się zaledwie kilka razy w każdym stuleciu w galaktyce takiej jak Droga Mleczna. W odległości około 32 milionów lat świetlnych supernowe pojawiają się średnio tylko raz w roku.

Po miesiącu obserwacji, począwszy od pierwszej obserwacji SN 2023ixf za pomocą teleskopów światła widzialnego, Fermi nie był w stanie wykryć promieni gamma.

Wyzwania i przyszłe badania

„Niestety brak promieni gamma nie oznacza, że ​​promieni kosmicznych nie ma” – powiedział współautor Mathieu Renaud, astrofizyk w Montpellier Laboratory of the Universe and Particles, należącym do Narodowego Centrum Badań Naukowych we Francji. „Musimy zrewidować wszystkie podstawowe hipotezy dotyczące mechanizmów przyspieszenia i warunków środowiskowych, aby przekształcić brak promieni gamma w górną granicę produkcji promieniowania kosmicznego”.

Naukowcy sugerują pewne scenariusze, które mogły mieć wpływ na zdolność Fermiego do zobaczenia promieni gamma powstałych podczas zdarzenia, takie jak sposób, w jaki eksplozja rozłożyła szczątki oraz gęstość materii otaczającej gwiazdę.

Obserwacje Fermiego stanowią pierwszą okazję do zbadania warunków bezpośrednio po wybuchu supernowej. Dodatkowe obserwacje SN 2023ixf na innych długościach fal, nowe symulacje i modele oparte na tym wydarzeniu, a także przyszłe badania innych młodych supernowych pomogą astronomom dotrzeć do tajemniczych źródeł promieni kosmicznych we wszechświecie.

Fermi to spółka zajmująca się astrofizyką i fizyką cząstek elementarnych, zarządzana przez Goddarda. Fermi został opracowany we współpracy z Departamentem Energii Stanów Zjednoczonych oraz przy istotnym udziale instytucji akademickich i partnerów z Francji, Niemiec, Włoch, Japonii, Szwecji i Stanów Zjednoczonych.