Una supernova vicina nel 2023 ha offerto agli astrofisici un’eccellente opportunità per testare idee su come questi tipi di esplosioni spingono le particelle, chiamate raggi cosmici, quasi alla velocità della luce. Ma sorprendentemente, il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA non ha rilevato nessuno dei raggi gamma ad alta energia che quelle particelle dovrebbero produrre.
Il 18 maggio 2023, una supernova è esplosa nella vicina galassia Girandola (Messier 101), situata a circa 22 milioni di anni luce di distanza nella costellazione dell'Orsa Maggiore. L'evento, denominato SN 2023ixf, è la supernova vicina più luminosa scoperta da quando Fermi è stata lanciata nel 2008.
"Gli astrofisici avevano precedentemente stimato che le supernovae convertono circa il 10% della loro energia totale in accelerazione dei raggi cosmici", ha affermato Guillem Martí-Devesa, ricercatore dell'Università di Trieste in Italia.
"Ma non abbiamo mai osservato direttamente questo processo. Con le nuove osservazioni di SN 2023ixf, i nostri calcoli risultano in una conversione di energia pari all'1% entro pochi giorni dall'esplosione. Ciò non esclude che le supernovae siano fabbriche di raggi cosmici, ma significa che abbiamo ancora molto da imparare sulla loro produzione."
L'articolo, condotto da Martí-Devesa mentre era all'Università di Innsbruck in Austria, apparirà in una futura edizione di Astronomia e Astrofisica .
Trilioni di trilioni di raggi cosmici si scontrano ogni giorno con l'atmosfera terrestre. Circa il 90% di essi sono nuclei di idrogeno, o protoni, e il resto sono elettroni o nuclei di elementi più pesanti.
Gli scienziati hanno studiato l’origine dei raggi cosmici fin dagli inizi del 1900, ma non è possibile risalire alle particelle che li originano. Poiché sono elettricamente carichi, i raggi cosmici cambiano rotta mentre viaggiano verso la Terra grazie ai campi magnetici che incontrano.
"I raggi gamma, tuttavia, viaggiano direttamente verso di noi", ha affermato Elizabeth Hays, scienziata del progetto Fermi presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. "I raggi cosmici producono raggi gamma quando interagiscono con la materia nel loro ambiente. Fermi è il telescopio per raggi gamma più sensibile in orbita, quindi quando non rileva un segnale atteso, gli scienziati devono spiegare l'assenza. Risolvere questo mistero costruirà un un'immagine più accurata delle origini dei raggi cosmici."
Gli astrofisici sospettano da tempo che le supernovae siano i principali contributori di raggi cosmici.
Queste esplosioni si verificano quando una stella con una massa pari ad almeno otto volte quella del sole rimane senza carburante. Il nucleo collassa e poi rimbalza, spingendo un'onda d'urto verso l'esterno attraverso la stella. L'onda d'urto accelera le particelle, creando raggi cosmici. Quando i raggi cosmici si scontrano con altra materia e luce che circonda la stella, generano raggi gamma.
Le supernovae hanno un grande impatto sull'ambiente interstellare di una galassia. Le loro onde d'urto e le nubi di detriti in espansione possono persistere per più di 50.000 anni. Nel 2013, le misurazioni di Fermi hanno mostrato che i resti di supernova nella nostra galassia, la Via Lattea, stavano accelerando i raggi cosmici, che generavano luce di raggi gamma quando colpivano la materia interstellare. Ma gli astronomi affermano che i resti non producono abbastanza particelle ad alta energia per eguagliare le misurazioni degli scienziati sulla Terra.
Una teoria propone che le supernovae possano accelerare i raggi cosmici più energetici nella nostra galassia nei primi giorni e settimane dopo l'esplosione iniziale.
Ma le supernovae sono rare e si verificano solo poche volte al secolo in una galassia come la Via Lattea. Fino a distanze di circa 32 milioni di anni luce, una supernova si verifica, in media, solo una volta all'anno.
Dopo un mese di osservazioni, iniziate quando i telescopi a luce visibile videro per la prima volta SN 2023ixf, Fermi non aveva rilevato raggi gamma.
"Sfortunatamente, non vedere raggi gamma non significa che non ci siano raggi cosmici", ha detto il coautore Matthieu Renaud, astrofisico del Laboratorio dell'Universo e delle Particelle di Montpellier, parte del Centro nazionale per la ricerca scientifica in Francia. "Dobbiamo esaminare tutte le ipotesi sottostanti riguardanti i meccanismi di accelerazione e le condizioni ambientali per convertire l'assenza di raggi gamma in un limite superiore per la produzione di raggi cosmici."
I ricercatori propongono alcuni scenari che potrebbero aver influenzato la capacità di Fermi di vedere i raggi gamma derivanti dall'evento, come il modo in cui l'esplosione ha distribuito i detriti e la densità del materiale che circonda la stella.
Le osservazioni di Fermi forniscono la prima opportunità di studiare le condizioni subito dopo l'esplosione della supernova. Ulteriori osservazioni di SN 2023ixf ad altre lunghezze d'onda, nuove simulazioni e modelli basati su questo evento e studi futuri su altre giovani supernove aiuteranno gli astronomi a approfondire le misteriose fonti dei raggi cosmici dell'universo.
Ulteriori informazioni: G. Martí-Devesa et al, Vincoli iniziali dei raggi gamma sull'accelerazione dei raggi cosmici nel collasso del nucleo SN 2023ixf con il Fermi Large Area Telescope, Astronomia e astrofisica (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202349061
Informazioni sul giornale: Astronomia e astrofisica
Fornito dal Goddard Space Flight Center della NASA
