Fermi der NASA sieht keine Gammastrahlen der nahegelegenen Supernova

Beobachtungen von SN 2023ixf im Jahr 2023 führten zu überraschenden Ergebnissen hinsichtlich der Produktion kosmischer Strahlung durch Supernovae, mit potenziellen Auswirkungen auf das Verständnis der Ursprünge kosmischer Strahlung und Beschleunigungsmechanismen.

Im Jahr 2023 bot eine nahe gelegene Supernova Astrophysikern eine hervorragende Gelegenheit, Ideen darüber zu testen, wie diese Art von Explosionen Teilchen, sogenannte kosmische Strahlung, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit ansteigen lassen. Doch überraschenderweise konnte das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA nichts von dem hochenergetischen Gammastrahlenlicht entdecken, das diese Teilchen erzeugen sollten.

Am 18. Mai 2023 brach eine Supernova in der nahe gelegenen Pinwheel-Galaxie (Messier 101) aus, die sich etwa 22 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Ursa Major befindet. Das Ereignis mit der Bezeichnung SN 2023ixf ist die hellste nahegelegene Supernova, die seit Fermis Start im Jahr 2008 entdeckt wurde.

Unerwartete Ergebnisse vom Fermi-Teleskop

„Astrophysiker haben früher geschätzt, dass Supernovae etwa 10 % ihrer Gesamtenergie in beschleunigte kosmische Strahlung umwandeln“, sagte Guillem Martí Devesa, Forscher an der Universität Triest in Italien. „Aber wir haben diesen Prozess nie direkt beobachtet. Mit den neuen Beobachtungen von SN 2023ixf haben unsere Berechnungen zu einer Energieumwandlung von nur 1 % innerhalb weniger Tage nach der Explosion geführt. Das schließt Supernovae als Fabriken der kosmischen Strahlung nicht aus.“ aber es bedeutet, dass wir mehr über seine Herstellung erfahren müssen.

Dieser von Martti Devesa während seines Aufenthalts an der Universität Innsbruck in Österreich verfasste Artikel wird in einer zukünftigen Ausgabe der Zeitschrift erscheinen Astronomie und Astrophysik.

Selbst wenn Gammastrahlen nicht erkannt werden, NASADas Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop von Fermi hilft Astronomen, mehr über das Universum zu erfahren. Quelle: NASA Goddard Space Flight Center

Kosmische Strahlung und ihre Ursprünge

Jeden Tag treffen Billionen und Abermillionen kosmischer Strahlung auf die Erdatmosphäre. Ungefähr 90 % davon sind Wasserstoffkerne – oder Protonen – und der Rest sind Elektronen oder Kerne schwererer Elemente.

Seit dem frühen 20. Jahrhundert erforschen Wissenschaftler die Ursprünge der kosmischen Strahlung, doch die Teilchen können nicht auf ihre Quellen zurückgeführt werden. Da sie elektrisch geladen sind, ändern kosmische Strahlen dank der auf sie treffenden Magnetfelder ihren Weg auf ihrem Weg zur Erde.

„Gammastrahlen gelangen direkt zu uns“, sagte Elizabeth Hayes, Wissenschaftlerin des Fermi-Projekts am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Kosmische Strahlung erzeugt Gammastrahlen, wenn sie mit Materie in ihrer Umgebung interagieren. Wenn es also kein erwartetes Signal erkennt, müssen Wissenschaftler das Fehlen erklären.“ genaueres Bild der Ursprünge der kosmischen Strahlung.

Das 48-Zoll-Teleskop des Fred Lawrence Whipple Observatory hat im Juni 2023 dieses Bild der Windradgalaxie (Messier 101) im sichtbaren Licht aufgenommen. Der Ort der Supernova 2023ixf ist eingekreist. Das Observatorium auf dem Mount Hopkins in Arizona wird vom Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics betrieben. Bildnachweis: Hiramatsu et al. 2023/Sebastian Gomez (STScI)

Supernovae als Beschleuniger der kosmischen Strahlung

Astrophysiker vermuten seit langem, dass Supernovae den größten Beitrag zur kosmischen Strahlung leisten.

Diese Explosionen treten auf, wenn einem Stern mit einer Masse von mindestens dem Achtfachen der Sonnenmasse der Treibstoff ausgeht. Der Kern kollabiert und prallt dann zurück, wodurch die Schockwelle durch den Stern nach außen gedrückt wird. Die Stoßwelle beschleunigt die Teilchen und erzeugt kosmische Strahlung. Wenn kosmische Strahlung mit anderer Materie und Licht um den Stern herum kollidiert, erzeugen sie Gammastrahlen.

Supernovae haben großen Einfluss auf die interstellare Umgebung in der Galaxie. Die Druckwellen und die sich ausdehnende Trümmerwolke können mehr als 50.000 Jahre andauern. Im Jahr 2013 zeigten Fermi-Messungen, dass es auf unserem Planeten Supernova-Überreste gibt Milchstraße Die Galaxien beschleunigten kosmische Strahlung, die Gammastrahlenlicht erzeugt, wenn sie mit interstellarer Materie kollidieren. Aber Astronomen sagen, dass die Überreste nicht genug hochenergetische Teilchen produzieren, um mit den Messungen der Wissenschaftler auf der Erde mithalten zu können.

Eine Theorie besagt, dass Supernovae in den ersten Tagen und Wochen nach der ersten Explosion die energiereichste kosmische Strahlung in unserer Galaxie beschleunigen könnten.

Aber Supernovae sind selten und kommen in einer Galaxie wie der Milchstraße nur wenige Male pro Jahrhundert vor. In etwa 32 Millionen Lichtjahren Entfernung treten Supernovae im Durchschnitt nur einmal im Jahr auf.

Nach einem Monat Beobachtungen, beginnend mit der ersten Sichtung von SN 2023ixf durch Teleskope mit sichtbarem Licht, war Fermi nicht in der Lage, Gammastrahlen zu entdecken.

Herausforderungen und zukünftige Forschung

„Leider bedeutet das Nichtsehen von Gammastrahlen nicht, dass es keine kosmische Strahlung gibt“, sagte Co-Autor Mathieu Renaud, Astrophysiker am Montpellier Laboratory of the Universe and Particles, Teil des Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung in Frankreich. „Wir müssen alle grundlegenden Hypothesen zu Beschleunigungsmechanismen und Umweltbedingungen revidieren, um die Abwesenheit von Gammastrahlung in eine Obergrenze für die Produktion kosmischer Strahlung umzuwandeln.“

Die Forscher schlagen einige Szenarien vor, die Fermis Fähigkeit, Gammastrahlen des Ereignisses zu sehen, beeinträchtigt haben könnten, etwa die Art und Weise, wie die Explosion Trümmer verteilte, und die Dichte des den Stern umgebenden Materials.

Fermi-Beobachtungen bieten die erste Möglichkeit, die Bedingungen unmittelbar nach einer Supernova-Explosion zu untersuchen. Zusätzliche Beobachtungen von SN 2023ixf bei anderen Wellenlängen, neue Simulationen und Modelle auf der Grundlage dieses Ereignisses sowie zukünftige Studien anderer junger Supernovae werden Astronomen helfen, zu den mysteriösen Quellen kosmischer Strahlung im Universum zu gelangen.

Fermi ist eine von Goddard geleitete Partnerschaft für Astrophysik und Teilchenphysik. Fermi wurde in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium und mit wichtigen Beiträgen akademischer Institutionen und Partner in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Schweden und den Vereinigten Staaten entwickelt.