En närliggande supernova 2023 erbjöd astrofysiker ett utmärkt tillfälle att testa idéer om hur dessa typer av explosioner ökar partiklar, kallade kosmiska strålar, till nära ljushastigheter. Men överraskande nog upptäckte NASA:s Fermi Gamma-ray rymdteleskop inget av det högenergiska gammastrålningsljuset som dessa partiklar borde producera.
Den 18 maj 2023 bröt en supernova ut i den närliggande Pinwheel-galaxen (Messier 101), som ligger cirka 22 miljoner ljusår bort i stjärnbilden Ursa Major. Händelsen, som heter SN 2023ixf, är den mest lysande närliggande supernovan som upptäckts sedan Fermi lanserades 2008.
"Astrofysiker har tidigare uppskattat att supernovor omvandlar cirka 10 % av sin totala energi till acceleration av kosmisk strålning", säger Guillem Martí-Devesa, forskare vid universitetet i Trieste i Italien.
"Men vi har aldrig observerat den här processen direkt. Med de nya observationerna av SN 2023ixf resulterar våra beräkningar i energiomvandling så låg som 1% inom några dagar efter explosionen. Detta utesluter inte supernovor som fabriker för kosmisk strålning, men det betyder att vi har mer att lära oss om deras produktion."
Tidningen, ledd av Martí-Devesa vid universitetet i Innsbruck i Österrike, kommer att dyka upp i en framtida utgåva av Astronomy and Astrophysics .
Biljoner biljoner kosmiska strålar kolliderar med jordens atmosfär varje dag. Ungefär 90 % av dem är vätekärnor – eller protoner – och resten är elektroner eller kärnor av tyngre grundämnen.
Forskare har undersökt ursprunget till kosmisk strålning sedan början av 1900-talet, men partiklarna kan inte spåras tillbaka till sina källor. Eftersom de är elektriskt laddade ändrar kosmiska strålar kurs när de reser till jorden tack vare magnetfälten de möter.
"Gammastrålar reser dock direkt till oss", säger Elizabeth Hays, forskare från Fermi-projektet vid NASA:s Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland. "Kosmiska strålar producerar gammastrålar när de interagerar med materia i sin miljö. Fermi är det känsligaste gammastrålningsteleskopet i omloppsbana, så när det inte upptäcker en förväntad signal måste forskarna förklara frånvaron. Att lösa det mysteriet kommer att bygga en mer exakt bild av kosmisk strålnings ursprung."
Astrofysiker har länge misstänkt att supernovor är de bästa bidragsgivare till kosmisk strålning.
Dessa explosioner inträffar när en stjärna som är minst åtta gånger solens massa får slut på bränsle. Kärnan kollapsar och studsar sedan och driver en stötvåg utåt genom stjärnan. Stötvågen accelererar partiklar och skapar kosmiska strålar. När kosmiska strålar kolliderar med annan materia och ljus som omger stjärnan, genererar de gammastrålar.
Supernovor påverkar i hög grad en galaxs interstellära miljö. Deras sprängvågor och expanderande moln av skräp kan bestå i mer än 50 000 år. Under 2013 visade Fermi-mätningar att supernovarester i vår egen Vintergatans galax accelererade kosmiska strålar, som genererade gammastrålningsljus när de träffade interstellär materia. Men astronomer säger att resterna inte producerar tillräckligt med högenergipartiklar för att matcha forskarnas mätningar på jorden.
En teori föreslår att supernovor kan accelerera de mest energiska kosmiska strålarna i vår galax under de första dagarna och veckorna efter den första explosionen.
Men supernovor är sällsynta och förekommer bara några gånger per sekel i en galax som Vintergatan. På avstånd på cirka 32 miljoner ljusår inträffar en supernova i genomsnitt bara en gång om året.
Efter en månad av observationer, från när teleskop för synligt ljus först såg SN 2023ixf, hade Fermi inte upptäckt gammastrålar.
"Tyvärr betyder det inte att det inte finns några kosmiska strålar att se inga gammastrålar", säger medförfattaren Matthieu Renaud, en astrofysiker vid Montpelliers universum och partikellaboratoriet, en del av National Centre for Scientific Research i Frankrike. "Vi måste gå igenom alla underliggande hypoteser om accelerationsmekanismer och miljöförhållanden för att omvandla frånvaron av gammastrålar till en övre gräns för produktion av kosmisk strålning."
Forskarna föreslår några scenarier som kan ha påverkat Fermis förmåga att se gammastrålar från händelsen, som hur explosionen fördelade skräp och tätheten av material som omger stjärnan.
Fermis observationer ger den första möjligheten att studera förhållanden direkt efter supernovaexplosionen. Ytterligare observationer av SN 2023ixf vid andra våglängder, nya simuleringar och modeller baserade på denna händelse, och framtida studier av andra unga supernovor kommer att hjälpa astronomer att skärpa in på de mystiska källorna till universums kosmiska strålar.
Mer information: G. Martí-Devesa et al, Tidiga gammastrålningsbegränsningar på kosmisk strålningsacceleration i kärnkollapsen SN 2023ixf med Fermi Large Area Telescope, Astronomy &Astrophysics (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202349061
Journalinformation: Astronomi och astrofysik
Tillhandahålls av NASA:s Goddard Space Flight Center
