Supernowa SN 2023ixf pomaga zrozumieć promieniowanie kosmiczne

W 2023 roku miała miejsce supernowa SN 2023ixf, która pozwoliła astrofizykom zbadać, w jaki sposób tego typu eksplozje przyspieszają cząstki, do prędkości bliskiej prędkości światła, tworząc promieniowanie kosmiczne.

Naukowcy twierdzą, że co zaskakujące, należący do NASA teleskop Fermi Gamma-ray Space Telescope nie wykrył w czasie tego zdarzenia, żadnego wysokoenergetycznego promieniowania gamma, które wytworzyło promieniowanie kosmiczne.

18 maja 2023 roku w pobliskiej galaktyce Pinwheel (Messier 101), znajdującej się w odległości około 22 milionów lat świetlnych od Ziemi, w gwiazdozbiorze Wielkiej Niedźwiedzicy, wybuchła supernowa. Wydarzenie to, nazwane SN 2023ixf, jest zdaniem naukowców, najjaśniejszą pobliską supernową odkrytą od czasu uruchomienia Fermi w 2008 roku.

Promieniowanie kosmiczne to energetyczne cząstki pochodzące z przestrzeni kosmicznej, które uderzają w ziemską atmosferę. Prawie 90 proc. wszystkich cząstek promieniowania kosmicznego to protony, około 10 proc. to jądra helu, a nieco poniżej 1 proc. to cięższe pierwiastki i elektrony.

„Astrofizycy szacowali wcześniej, że supernowe przekształcają około 10 proc. swojej całkowitej energii w przyspieszenie promieniowania kosmicznego. Nigdy jednak nie zaobserwowaliśmy tego procesu bezpośrednio. Dzięki nowym badaniom SN 2023ixf nasze obliczenia wskazują na konwersję energii na poziomie zaledwie 1 proc. w ciągu kilku dni po eksplozji. Nie wyklucza to supernowych jako fabryk promieniowania kosmicznego, ale oznacza, że musimy dowiedzieć się więcej o jego powstawaniu” – mówi Guillem Martí-Devesa z University of Trieste.

Każdego dnia z ziemską atmosferą uderzają niezliczone ilości promieniowania kosmicznego. Zdaniem naukowców, około 90 proc. z nich to jądra wodoru lub protony, a resztę stanowią elektrony lub jądra cięższych pierwiastków.

Naukowcy badają pochodzenie promieniowania kosmicznego od początku XX wieku, ale cząstek tych nie można prześledzić do ich źródeł. Ponieważ są naładowane elektrycznie, zmieniają kurs podczas podróży na Ziemię dzięki napotkanym polom magnetycznym.

„Promienie gamma jednak podróżują bezpośrednio do nas. Promieniowanie kosmiczne wytwarza promienie gamma, gdy wchodzi w interakcję z materią w swoim otoczeniu. Fermi jest najbardziej czułym teleskopem na tego typu promieniowanie na orbicie, więc gdy nie wykrywa oczekiwanego sygnału, naukowcy muszą wyjaśnić jego brak. Rozwiązanie tej zagadki pozwoli stworzyć dokładniejszy obraz pochodzenia promieniowania kosmicznego” – tłumaczy Elizabeth Hays z Fermi w Goddard Space Flight Center NASA.

Astrofizycy od dawna podejrzewają, że supernowe są głównymi źródłami promieniowania kosmicznego. Eksplozje te mają miejsce, gdy gwieździe o masie co najmniej osiem razy większej od masy Słońca kończy się paliwo. Jądro zapada się, a następnie eksploduje, napędzając falę uderzeniową na zewnątrz gwiazdy. Przez co zostają przyspieszone cząsteczki, tworząc promieniowanie kosmiczne. Kiedy zderza się ono z inną materią i światłem otaczającym gwiazdę, generuje promienie gamma.

Zdaniem badaczy, supernowe mają ogromny wpływ na międzygwiezdne środowisko galaktyki. Ich fale uderzeniowe i rozszerzające się chmury szczątków mogą utrzymywać się w przestrzeni przez ponad 50 tysięcy lat. W 2013 roku pomiary dokonane przez Fermi wykazały, że pozostałości po supernowych w galaktyce Drogi Mlecznej przyspieszały promieniowanie kosmiczne, które generowało promieniowanie gamma, gdy uderzało w materię międzygwiazdową. Astronomowie twierdzą jednak, że pozostałości te nie wytwarzają wystarczającej ilości wysokoenergetycznych cząstek, które odpowiadałyby założeniom.

Jak tłumaczą naukowcy, jedna z teorii sugeruje, że supernowe mogą przyspieszać najbardziej energetyczne promieniowanie kosmiczne w naszej galaktyce w ciągu pierwszych kilku dni i tygodni po początkowej eksplozji. Eksplozje te są jednak rzadkie i w galaktykach takich jak Droga Mleczna występują zaledwie kilka razy na stulecie. W odległości do około 32 milionów lat świetlnych supernowa pojawia się średnio raz w roku.

Po miesiącu obserwacji, począwszy od momentu, gdy teleskopy po raz pierwszy uchwyciły SN 2023ixf, Fermi nie wykrył promieni gamma. Badanie zostało przeprowadzone przez astronomów z University of Innsbruck, pod kierownictwem Martí-Devesa i opublikowane w czasopiśmie Astronomy and Astrophysics.

Naukowcy zaproponowali kilka scenariuszy, które mogły wpłynąć na zdolność Fermiego do obserwacji promieni gamma w czasie tego wydarzenia, takich jak sposób, w jaki eksplozja rozprowadziła gruz i gęstość materiału otaczającego gwiazdę.

Obserwacje Fermiego stanowią pierwszą okazję do zbadania warunków panujących tuż po wybuchu supernowej. Dodatkowe badania SN 2023ixf na innych długościach fal, kolejne symulacje i modele oparte na tym wydarzeniu, a także przyszłe obserwacje innych młodych supernowych pomogą astronomom zgłębić pochodzenie promieniowania kosmicznego we Wszechświecie.

Emil Gołoś