Ферми НАСА не видит никаких гамма-лучей от ближайшей сверхновой

Наблюдение сверхновой SN 2023ixf в 2023 году в галактике Вертушка предоставило уникальную возможность изучить образование космических лучей, но ожидаемые гамма-лучи не были обнаружены телескопом Ферми НАСА, что указывает на гораздо более низкие скорости преобразования энергии, чем ожидалось. Кредит: НАСА

Наблюдения за SN 2023ixf в 2023 году привели к удивительным результатам относительно образования космических лучей сверхновыми, что потенциально может иметь значение для понимания происхождения космических лучей и механизмов ускорения.

В 2023 году близлежащая сверхновая предоставила астрофизикам прекрасную возможность проверить идеи о том, как взрывы такого типа ускоряют частицы, называемые космическими лучами, до скоростей, близких к световой. Но, что удивительно, космический гамма-телескоп Ферми НАСА не обнаружил ни одного высокоэнергетического гамма-излучения, которое должны были бы производить эти частицы.

18 мая 2023 года в соседней галактике Вертушка (Мессье 101), расположенной примерно в 22 миллионах световых лет от нас в созвездии Большой Медведицы, вспыхнуло сверхновое. Событие, получившее название SN 2023ixf, является самой яркой сверхновой, обнаруженной с момента запуска Ферми в 2008 году.

Неожиданные результаты телескопа Ферми

«Ранее астрофизики подсчитали, что сверхновые преобразуют около 10% своей общей энергии в ускоренные космические лучи», — сказал Гильем Марти Девеса, исследователь из Университета Триеста в Италии. «Но мы никогда не наблюдали этот процесс напрямую. Благодаря новым наблюдениям SN 2023ixf наши расчеты привели к преобразованию энергии всего в 1% в течение нескольких дней после взрыва. Это не исключает сверхновые как фабрики космических лучей». но это означает, что нам нужно больше узнать о его производстве.

Эта статья, подготовленная Мартти Девеса во время учебы в Инсбрукском университете в Австрии, появится в следующем выпуске журнала. Астрономия и астрофизика.

Даже если гамма-лучи не обнаружены, НАСАКосмический гамма-телескоп Ферми Ферми помогает астрономам узнать больше о Вселенной. Источник: Центр космических полетов имени Годдарда НАСА.

Космические лучи и их происхождение

Триллионы и триллионы космических лучей каждый день сталкиваются с атмосферой Земли. Примерно 90% из них — ядра водорода или протоны, а остальные — электроны или ядра более тяжелых элементов.

Ученые изучают происхождение космических лучей с начала 1900-х годов, но источники частиц невозможно проследить. Поскольку космические лучи электрически заряжены, они меняют свой путь по мере продвижения к Земле благодаря магнитным полям, с которыми они сталкиваются.

«Гамма-лучи направляются прямо к нам», — сказала Элизабет Хейс, научный сотрудник проекта Ферми в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Космические лучи производят гамма-лучи, когда они взаимодействуют с веществом в окружающей их среде. Ферми — самый чувствительный гамма-телескоп на орбите, поэтому, когда он не обнаруживает ожидаемого сигнала, ученые должны объяснить его отсутствие. более точную картину происхождения космических лучей.

48-дюймовый телескоп обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла сделал это изображение галактики Вертушка (Мессье 101) в видимом свете в июне 2023 года. Местоположение сверхновой 2023ixf обведено кружком. Обсерватория, расположенная на горе Хопкинс в Аризоне, находится в ведении Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики. Предоставлено: Хирамацу и др. 2023/Себастьян Гомес (STScI)

Сверхновые как ускорители космических лучей

Астрофизики уже давно подозревали, что сверхновые являются крупнейшим источником космических лучей.

Эти взрывы происходят, когда у звезды, масса которой как минимум в восемь раз превышает массу Солнца, заканчивается топливо. Ядро сжимается, а затем отскакивает, выталкивая ударную волну наружу через звезду. Ударная волна ускоряет частицы, создавая космические лучи. Когда космические лучи сталкиваются с другой материей и светом, окружающими звезду, они генерируют гамма-лучи.

Сверхновые сильно влияют на межзвездную среду в галактике. Взрывные волны и расширяющееся облако обломков могут сохраняться более 50 000 лет. В 2013 году измерения Ферми показали, что на нашей планете существуют остатки сверхновых. Млечный Путь Галактики ускоряли космические лучи, которые генерируют гамма-излучение при столкновении с межзвездным веществом. Но астрономы говорят, что остатки не производят достаточно частиц высокой энергии, чтобы соответствовать измерениям ученых на Земле.

Одна теория предполагает, что сверхновые могут ускорять самые энергичные космические лучи в нашей галактике в первые несколько дней и недель после первоначального взрыва.

Но сверхновые редки: в такой галактике, как Млечный Путь, они происходят всего несколько раз в столетие. На расстоянии около 32 миллионов световых лет сверхновые возникают в среднем только один раз в год.

После месяца наблюдений, начавшихся с первого наблюдения SN 2023ixf телескопами видимого света, Ферми не смог обнаружить гамма-лучи.

Проблемы и будущие исследования

«К сожалению, отсутствие гамма-лучей не означает, что не существует космических лучей», — сказал соавтор Матье Рено, астрофизик из Лаборатории Вселенной и частиц Монпелье, входящей в состав Национального центра научных исследований во Франции. «Мы должны пересмотреть все фундаментальные гипотезы относительно механизмов ускорения и условий окружающей среды, чтобы превратить отсутствие гамма-лучей в верхний предел образования космических лучей».

Исследователи предлагают некоторые сценарии, которые могли повлиять на способность Ферми видеть гамма-лучи этого события, например, то, как взрыв распределил обломки и плотность материала, окружающего звезду.

Наблюдения Ферми дают первую возможность изучить условия сразу после взрыва сверхновой. Дополнительные наблюдения SN 2023ixf на других длинах волн, новые симуляции и модели, основанные на этом событии, а также будущие исследования других молодых сверхновых помогут астрономам добраться до загадочных источников космических лучей во Вселенной.

Fermi — это партнерство в области астрофизики и физики элементарных частиц, которым управляет Годдард. Fermi был разработан в сотрудничестве с Министерством энергетики США и при значительном вкладе академических учреждений и партнеров из Франции, Германии, Италии, Японии, Швеции и США.