NASA's Fermi ziet geen gammastraling van de nabijgelegen supernova

Waarneming van de supernova SN 2023ixf in 2023 in het Pinwheelstelsel bood een unieke kans om de productie van kosmische straling te bestuderen, maar de verwachte gammastraling werd niet gedetecteerd door NASA's Fermi-telescoop, wat wijst op veel lagere energieconversiepercentages dan verwacht. Krediet: NASA

Waarnemingen van SN 2023ixf in 2023 leidden tot verrassende resultaten met betrekking tot de productie van kosmische straling door supernova's, met mogelijke implicaties voor het begrijpen van de oorsprong van kosmische straling en versnellingsmechanismen.

In 2023 bood een nabijgelegen supernova astrofysici een uitstekende gelegenheid om ideeën te testen over hoe dit soort explosies deeltjes, kosmische straling genoemd, tot bijna-lichtsnelheden stimuleert. Maar verrassend genoeg heeft de Fermi Gammaray-ruimtetelescoop van NASA niets van het hoogenergetische gammastralingslicht gedetecteerd dat deze deeltjes zouden moeten produceren.

Op 18 mei 2023 barstte een supernova uit in het nabijgelegen Pinwheelstelsel (Messier 101), op ongeveer 22 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Grote Beer. De gebeurtenis, genaamd SN 2023ixf, is de helderste nabijgelegen supernova die is ontdekt sinds de lancering van Fermi in 2008.

Onverwachte resultaten van de Fermi-telescoop

“Astrofysici schatten eerder dat supernova’s ongeveer 10% van hun totale energie omzetten in versnelde kosmische straling”, zegt Guillem Martí Devesa, onderzoeker aan de Universiteit van Triëst in Italië. ‘Maar we hebben dit proces nog nooit rechtstreeks waargenomen. Met de nieuwe waarnemingen van SN 2023ixf leiden onze berekeningen binnen een paar dagen na de explosie tot een energieconversie van slechts 1%. Dit sluit supernova’s niet uit als kosmische stralingsfabrieken, maar het betekent wel dat we meer moeten leren over de productie ervan.

Dit artikel, uitgevoerd door Martti Devesa aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk, zal verschijnen in een toekomstige editie van het tijdschrift Astronomie en astrofysica.

Zelfs als gammastraling niet wordt gedetecteerd, NASAFermi's Fermi Gammastraling-ruimtetelescoop helpt astronomen meer te leren over het universum. Bron: NASA Goddard Space Flight Center

Kosmische straling en hun oorsprong

Elke dag komen biljoenen en biljoenen kosmische straling in botsing met de atmosfeer van de aarde. Ongeveer 90% daarvan zijn waterstofkernen – of protonen – en de rest zijn elektronen of kernen van zwaardere elementen.

Wetenschappers bestuderen al sinds het begin van de 20e eeuw de oorsprong van kosmische straling, maar de deeltjes kunnen niet worden herleid tot hun bron. Omdat ze elektrisch geladen zijn, veranderen kosmische stralen hun pad terwijl ze naar de aarde reizen dankzij de magnetische velden die ze tegenkomen.

“Gammastraling reist rechtstreeks naar ons”, zegt Elizabeth Hayes, Fermi-projectwetenschapper bij NASA's Goddard Space Flight Center in Greenbelt, Maryland. “Kosmische straling produceert gammastraling wanneer ze interageren met materie in hun omgeving. Fermi is de meest gevoelige gammastralingstelescoop in een baan om de aarde, dus als hij geen verwacht signaal detecteert, moeten wetenschappers de afwezigheid verklaren nauwkeuriger beeld van de oorsprong van kosmische straling.

De 48-inch telescoop van het Fred Lawrence Whipple Observatory maakte dit zichtbaar-lichtbeeld van het Pinwheelstelsel (Messier 101) in juni 2023. De locatie van supernova 2023ixf is omcirkeld. Het observatorium, gelegen op Mount Hopkins in Arizona, wordt beheerd door het Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics. Krediet: Hiramatsu et al. 2023/Sebastian Gomez (STScI)

Supernova's als kosmische stralingsversnellers

Astrofysici hebben lang vermoed dat supernova's de grootste bijdrage leveren aan kosmische straling.

Deze explosies vinden plaats wanneer een ster met een massa van minstens acht maal de massa van de zon zonder brandstof komt te zitten. De kern stort in en veert vervolgens terug, waardoor de schokgolf door de ster naar buiten wordt geduwd. De schokgolf versnelt de deeltjes, waardoor kosmische straling ontstaat. Wanneer kosmische straling botst met andere materie en licht rondom de ster, genereren ze gammastraling.

Supernova's hebben een grote invloed op de interstellaire omgeving in de Melkweg. De schokgolven en de uitdijende puinwolk kunnen meer dan 50.000 jaar aanhouden. In 2013 toonden Fermi-metingen aan dat er supernovaresten op onze planeet voorkomen Melkweg De sterrenstelsels versnelden kosmische straling, die gammastraling genereert wanneer ze botsen met interstellaire materie. Maar astronomen zeggen dat de overblijfselen niet genoeg hoogenergetische deeltjes produceren om de metingen van wetenschappers op aarde te evenaren.

Eén theorie suggereert dat supernova's de meest energetische kosmische straling in onze Melkweg kunnen versnellen in de eerste paar dagen en weken na de eerste explosie.

Maar supernova's zijn zeldzaam en komen slechts een paar keer per eeuw voor in een sterrenstelsel als de Melkweg. Op zo'n 32 miljoen lichtjaar afstand komen supernova's gemiddeld slechts één keer per jaar voor.

Na een maand van observaties, te beginnen met de eerste waarneming door telescopen met zichtbaar licht van SN 2023ixf, kon Fermi geen gammastraling detecteren.

Uitdagingen en toekomstig onderzoek

“Helaas betekent het niet zien van gammastraling niet dat er geen kosmische straling is”, zegt co-auteur Mathieu Renaud, astrofysicus bij het Montpellier Laboratory of the Universe and Particles, onderdeel van het National Centre for Scientific Research in Frankrijk. “We moeten alle fundamentele hypothesen met betrekking tot versnellingsmechanismen en omgevingsomstandigheden herzien om de afwezigheid van gammastraling om te zetten in een bovengrens voor de productie van kosmische straling.”

De onderzoekers suggereren enkele scenario's die mogelijk van invloed zijn geweest op Fermi's vermogen om gammastraling van de gebeurtenis waar te nemen, zoals de manier waarop de explosie het puin verspreidde en de dichtheid van het materiaal rondom de ster.

Fermi-waarnemingen bieden de eerste mogelijkheid om de omstandigheden onmiddellijk na een supernova-explosie te bestuderen. Aanvullende waarnemingen van SN 2023ixf op andere golflengten, nieuwe simulaties en modellen gebaseerd op deze gebeurtenis, en toekomstige studies van andere jonge supernova's zullen astronomen helpen de mysterieuze bronnen van kosmische straling in het universum te achterhalen.

Fermi is een samenwerkingsverband op het gebied van astrofysica en deeltjesfysica, beheerd door Goddard. Fermi is ontwikkeld in samenwerking met het Amerikaanse ministerie van Energie en met belangrijke bijdragen van academische instellingen en partners in Frankrijk, Duitsland, Italië, Japan, Zweden en de Verenigde Staten.