Nedavna supernova u galaksiji Vjetrenjača (Messier 101), smještena oko 22 milijuna svjetlosnih godina od nas u sazviježđu Velikog Medvjeda, pružila je astrofizičarima izvrsnu priliku za testiranje teorija o tome kako ove eksplozije ubrzavaju čestice, poznate kao kozmičke zrake, na brzine bliske brzini svjetlosti. Međutim, za iznenađenje znanstvene zajednice, teleskop za gama-zrake Fermi američke svemirske agencije NASA nije zabilježio visokoenergetske gama-zrake koje bi te čestice trebale proizvesti.

Supernova, koja je dobila oznaku SN 2023ixf, eksplodirala je 18. svibnja 2023. i od tada je najsjajnija supernova otkrivena u blizini Zemlje od pokretanja misije Fermi 2008. godine.

Guillem Martí-Devesa, istraživač sa Sveučilišta u Trstu u Italiji, izjavio je da su astrofizičari ranije procjenjivali da supernove pretvaraju oko 10% svoje ukupne energije u ubrzanje kozmičkih zraka. "Međutim, nikada nismo direktno promatrali taj proces. S novim opservacijama SN 2023ixf, naše kalkulacije pokazuju da je konverzija energije unutar nekoliko dana nakon eksplozije pala na svega 1%. To ne isključuje mogućnost da supernove djeluju kao tvornice kozmičkih zraka, ali pokazuje da moramo još mnogo toga naučiti o njihovoj proizvodnji", objašnjava Martí-Devesa.

Rad, koji je predvodio Martí-Devesa dok je bio na Sveučilištu u Innsbrucku u Austriji, bit će objavljen u budućem izdanju časopisa Astronomija i astrofizika.

Svakodnevno trilijuni trilijuna kozmičkih zraka sudaraju se s atmosferom Zemlje. Oko 90% tih čestica su jezgre vodika, odnosno protoni, dok su ostatak elektroni ili jezgre težih elemenata.

Znanstvenici proučavaju podrijetlo kozmičkih zraka još od ranih 1900-ih, no te čestice se ne mogu pratiti sve do njihovih izvora. Budući da su električno nabijene, kozmičke zrake mijenjaju smjer kretanja dok putuju prema Zemlji zbog magnetskih polja koja susreću na svom putu.

„Gama-zrake, međutim, putuju direktno do nas”, izjavila je Elizabeth Hays, znanstvenica na projektu Fermi u NASA-inom centru za svemirske letove Goddard u Greenbeltu, Maryland. „Kozmičke zrake proizvode gama-zrake kada stupaju u interakciju s materijom u svom okruženju. Budući da je Fermi najosjetljiviji teleskop za gama-zrake u orbiti, kada ne detektira očekivani signal, znanstvenici moraju objasniti njegovu odsutnost. Rješavanje te zagonetke pridonijet će točnijem razumijevanju podrijetla kozmičkih zraka.”

Astrofizičari već dugo sumnjaju da su supernove jedni od glavnih proizvođača kozmičkih zraka.

Te eksplozije nastaju kada zvijezda, čija je masa najmanje osam puta veća od mase Sunca, potroši svoje gorivo. Jezgra se urušava i zatim odbija natrag, šaljući šok val prema van kroz zvijezdu. Taj šok val ubrzava čestice, stvarajući kozmičke zrake. Kada kozmičke zrake sudaraju s drugom materijom i svjetlošću oko zvijezde, generiraju gama-zrake.

Supernove imaju veliki utjecaj na međuzvjezdano okruženje galaksije. Njihovi valovi udara i šireći oblak krhotina mogu trajati više od 50.000 godina. Mjerenja teleskopa Fermi iz 2013. godine pokazala su da ostaci supernove u našoj galaksiji Mliječnom putu ubrzavaju kozmičke zrake, koje proizvode gama svjetlost kada udare u međuzvjezdanu materiju. No, astronomi kažu da ostaci ne proizvode dovoljno visokoenergetskih čestica kako bi se podudarale s mjerenjima znanstvenika na Zemlji.

Jedna teorija predlaže da supernove mogu ubrzati najenergičnije kozmičke zrake u našoj galaksiji u prvih nekoliko dana i tjedana nakon početne eksplozije.

No, supernove su rijetke, pojavljujući se samo nekoliko puta stoljeću u galaksiji poput Mliječnog puta. Do udaljenosti od oko 32 milijuna svjetlosnih godina, supernova se događa, u prosjeku, samo jednom godišnje.

Nakon mjesec dana promatranja, počevši od trenutka kada su teleskopi koji vide vidljivu svjetlost prvi put zabilježili SN 2023ixf, Fermi nije detektirao gama-zrake.

"Nažalost, činjenica da ne vidimo gama-zrake ne znači da nema kozmičkih zraka", rekao je suautor Matthieu Renaud, astrofizičar u Laboratoriju za svemir i čestice u Montpellieru, koji je dio Nacionalnog centra za znanstvena istraživanja u Francuskoj. "Moramo proći kroz sve osnovne pretpostavke vezane uz mehanizme ubrzanja i okolne uvjete kako bismo iz odsutnosti gama-zraka izveli gornju granicu za proizvodnju kozmičkih zraka."

Istraživači predlažu nekoliko scenarija koji su mogli utjecati na Fermijevu sposobnost detektiranja gama-zraka s tog događaja, poput načina na koji je eksplozija rasporedila krhotine i gustoće materijala koji okružuje zvijezdu.

Fermijeva opservacija pruža prvu priliku za proučavanje uvjeta neposredno nakon eksplozije supernove. Dodatna promatranja SN 2023ixf na drugim valnim duljinama, nove simulacije i modeli temeljeni na ovom događaju te buduća istraživanja drugih mladih supernova pomoći će astronomima da se približe misterioznim izvorima kozmičkih zraka svemira.

Fermi je partnerstvo u području astrofizike i fizike čestica koje upravlja Goddard. Fermi je razvijen u suradnji s američkim Ministarstvom energije, uz značajne doprinose akademskih ustanova i partnera iz Francuske, Njemačke, Italije, Japana, Švedske i Sjedinjenih Država.

Izvor: nasa.gov