La observación de la supernova SN 2023ixf en 2023 en la galaxia Molinete brindó una oportunidad única para estudiar la producción de rayos cósmicos, pero el telescopio Fermi de la NASA no detectó los rayos gamma esperados, lo que indica tasas de conversión de energía mucho más bajas de lo esperado. Crédito: NASA
Las observaciones de SN 2023ixf en 2023 arrojaron resultados sorprendentes sobre la producción de rayos cósmicos por supernovas, con posibles implicaciones para comprender los orígenes de los rayos cósmicos y los mecanismos de aceleración.
En 2023, una supernova cercana brindó a los astrofísicos una excelente oportunidad para probar ideas sobre cómo este tipo de explosiones impulsan partículas, llamadas rayos cósmicos, a velocidades cercanas a la de la luz. Pero, sorprendentemente, el telescopio espacial Fermi de rayos gamma de la NASA no detectó nada de la luz de rayos gamma de alta energía que esas partículas deberían producir.
El 18 de mayo de 2023, una supernova entró en erupción en la cercana galaxia Molinete (Messier 101), ubicada a unos 22 millones de años luz de distancia, en la constelación de la Osa Mayor. El evento, llamado SN 2023ixf, es la supernova cercana más brillante descubierta desde el lanzamiento de Fermi en 2008.
Resultados inesperados del telescopio Fermi
«Los astrofísicos estimaban anteriormente que las supernovas convierten alrededor del 10% de su energía total en rayos cósmicos acelerados», dijo Guillem Martí Devesa, investigador de la Universidad de Trieste en Italia. «Pero nunca hemos observado este proceso directamente. Con las nuevas observaciones de SN 2023ixf, nuestros cálculos han llevado a una conversión de energía tan baja como el 1% a los pocos días de la explosión. Esto no descarta que las supernovas sean fábricas de rayos cósmicos. pero sí significa que tenemos más que aprender sobre su producción.
Este artículo, realizado por Martti Devesa en la Universidad de Innsbruck en Austria, aparecerá en una edición futura de la revista. Astronomía y astrofísica..
Incluso cuando no se detectan rayos gamma, NASAEl Telescopio Espacial Fermi de Rayos Gamma de Fermi ayuda a los astrónomos a aprender más sobre el universo. Fuente: Centro de vuelos espaciales Goddard de la NASA
Los rayos cósmicos y sus orígenes.
Billones y billones de rayos cósmicos chocan con la atmósfera de la Tierra todos los días. Aproximadamente el 90% de ellos son núcleos de hidrógeno (o protones) y el resto son electrones o núcleos de elementos más pesados.
Los científicos han estado estudiando los orígenes de los rayos cósmicos desde principios del siglo XX, pero no se puede rastrear el origen de las partículas. Al estar cargados eléctricamente, los rayos cósmicos cambian su trayectoria a medida que viajan a la Tierra gracias a los campos magnéticos que encuentran.
«Los rayos gamma viajan directamente hacia nosotros», dijo Elizabeth Hayes, científica del proyecto Fermi en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. “Los rayos cósmicos producen rayos gamma cuando interactúan con la materia de su entorno. Fermi es el telescopio de rayos gamma más sensible en órbita, por lo que cuando no detecta una señal esperada, los científicos deben explicar la ausencia. Imagen más precisa de los orígenes de los rayos cósmicos.
El telescopio de 48 pulgadas del Observatorio Fred Lawrence Whipple capturó esta imagen en luz visible de la galaxia Molinete (Messier 101) en junio de 2023. La ubicación de la supernova 2023ixf está rodeada por un círculo. El observatorio, ubicado en el Monte Hopkins en Arizona, es operado por el Centro Harvard-Smithsonian de Astrofísica. Crédito: Hiramatsu et al. 2023/Sebastián Gómez (STScI)
Supernovas como aceleradores de rayos cósmicos
Los astrofísicos han sospechado durante mucho tiempo que las supernovas son las mayores contribuyentes de rayos cósmicos.
Estas explosiones ocurren cuando una estrella con una masa de al menos ocho veces la masa del Sol se queda sin combustible. El núcleo colapsa y luego rebota, empujando la onda de choque hacia afuera a través de la estrella. La onda de choque acelera las partículas, creando rayos cósmicos. Cuando los rayos cósmicos chocan con otra materia y luz que rodean la estrella, generan rayos gamma.
Las supernovas afectan en gran medida el entorno interestelar de la galaxia. Las ondas expansivas y la nube de escombros en expansión pueden durar más de 50.000 años. En 2013, las mediciones de Fermi demostraron que existen restos de supernova en nuestro planeta. vía Láctea Las galaxias aceleraban los rayos cósmicos, que generan luz de rayos gamma cuando chocan con la materia interestelar. Pero los astrónomos dicen que los restos no producen suficientes partículas de alta energía para igualar las mediciones de los científicos en la Tierra.
Una teoría sugiere que las supernovas pueden acelerar los rayos cósmicos más energéticos de nuestra galaxia en los primeros días y semanas después de la explosión inicial.
Pero las supernovas son raras y ocurren sólo unas pocas veces cada siglo en una galaxia como la Vía Láctea. A unos 32 millones de años luz de distancia, las supernovas ocurren, en promedio, sólo una vez al año.
Después de un mes de observaciones, comenzando con el primer avistamiento de SN 2023ixf con telescopios de luz visible, Fermi no pudo detectar rayos gamma.
Retos e investigaciones futuras
«Desafortunadamente, no ver rayos gamma no significa que no haya rayos cósmicos», dijo el coautor Mathieu Renaud, astrofísico del Laboratorio del Universo y de Partículas de Montpellier, parte del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia. «Tenemos que revisar todas las hipótesis fundamentales sobre los mecanismos de aceleración y las condiciones ambientales para convertir la ausencia de rayos gamma en un límite superior para la producción de rayos cósmicos».
Los investigadores sugieren algunos escenarios que pueden haber afectado la capacidad de Fermi para ver los rayos gamma del evento, como la forma en que la explosión distribuyó los escombros y la densidad del material que rodea a la estrella.
Las observaciones de Fermi brindan la primera oportunidad de estudiar las condiciones inmediatamente después de la explosión de una supernova. Observaciones adicionales de SN 2023ixf en otras longitudes de onda, nuevas simulaciones y modelos basados en este evento y estudios futuros de otras supernovas jóvenes ayudarán a los astrónomos a llegar a las misteriosas fuentes de rayos cósmicos en el universo.
Fermi es una asociación de astrofísica y física de partículas gestionada por Goddard. Fermi fue desarrollado en colaboración con el Departamento de Energía de EE. UU. y con importantes contribuciones de instituciones académicas y socios en Francia, Alemania, Italia, Japón, Suecia y Estados Unidos.
