Die Beobachtung der Supernova SN 2023ixf in der Pinwheel-Galaxie im Jahr 2023 bot eine einzigartige Gelegenheit, die Produktion kosmischer Strahlung zu untersuchen, doch die erwarteten Gammastrahlen wurden vom Fermi-Teleskop der NASA nicht entdeckt, was auf viel niedrigere Energieumwandlungsraten als erwartet hindeutet. Bildnachweis: NASA
Beobachtungen von SN 2023ixf im Jahr 2023 führten zu überraschenden Erkenntnissen über die Produktion kosmischer Strahlung durch Supernovae, mit potenziellen Auswirkungen auf das Verständnis der Entstehung kosmischer Strahlung und der Beschleunigungsmechanismen.
Im Jahr 2023 bot eine nahegelegene Supernova Astrophysikern eine hervorragende Gelegenheit, Ideen darüber zu testen, wie diese Art von Explosionen Teilchen, sogenannte kosmische Strahlung, auf nahezu Lichtgeschwindigkeit bringen. Doch überraschenderweise entdeckte das Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA nichts von dem hochenergetischen Gammastrahlenlicht, das diese Teilchen erzeugen sollten.
Am 18. Mai 2023 brach eine Supernova in der nahe gelegenen Pinwheel-Galaxie (Messier 101) aus, die etwa 22 Millionen Lichtjahre entfernt im Sternbild Ursa Major liegt. Das Ereignis mit dem Namen SN 2023ixf ist die leuchtendste Supernova in der Nähe, die seit dem Start von Fermi im Jahr 2008 entdeckt wurde.
Unerwartete Ergebnisse des Fermi-Teleskops
„Astrophysiker haben zuvor geschätzt, dass Supernovae etwa 10 % ihrer Gesamtenergie in Beschleunigung der kosmischen 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 ergeben unsere Berechnungen eine Energieumwandlung von nur 1 % innerhalb weniger Tage nach der Explosion. Das schließt Supernovae als Fabriken kosmischer Strahlung nicht aus, bedeutet aber, dass wir noch mehr über ihre Entstehung lernen müssen.“
Der von Martí-Devesa während seines Aufenthalts an der Universität Innsbruck in Österreich verfasste Artikel wird in einer zukünftigen Ausgabe von erscheinen Astronomie und Astrophysik.
Auch wenn es keine Gammastrahlen erkennt, NASADas Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop hilft Astronomen, mehr über das Universum zu erfahren. Bildnachweis: Goddard Space Flight Center der NASA
Kosmische Strahlen und ihre Ursprünge
Jeden Tag treffen Billionen kosmischer Strahlen auf die Erdatmosphäre. Ungefähr 90 % davon sind Wasserstoffkerne – oder Protonen – und der Rest sind Elektronen oder Kerne schwererer Elemente.
Wissenschaftler untersuchen seit dem frühen 20. Jahrhundert den Ursprung der kosmischen Strahlung, die Teilchen können jedoch nicht auf ihre Quellen zurückgeführt werden. Da sie elektrisch geladen sind, ändern kosmische Strahlen dank der auf sie treffenden Magnetfelder ihren Kurs auf ihrem Weg zur Erde.
„Gammastrahlen gelangen jedoch direkt zu uns“, sagte Elizabeth Hays, Wissenschaftlerin des Fermi-Projekts am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland. „Kosmische Strahlung erzeugt Gammastrahlung, wenn sie mit Materie in ihrer Umgebung interagiert. Fermi ist das empfindlichste Gammastrahlenteleskop im Orbit. Wenn es also ein erwartetes Signal nicht erkennt, müssen Wissenschaftler das Fehlen erklären. Die Lösung dieses Rätsels wird ein genaueres Bild der Ursprünge der kosmischen Strahlung liefern.“
Das 48-Zoll-Teleskop des Fred Lawrence Whipple Observatory hat im Juni 2023 dieses Bild der Pinwheel-Galaxie (Messier 101) im sichtbaren Licht aufgenommen. Der Ort der Supernova 2023ixf ist eingekreist. Das Observatorium auf dem Mount Hopkins in Arizona wird vom Center for Astrophysics | betrieben Harvard & Smithsonian. Bildnachweis: Hiramatsu et al. 2023/Sebastian Gomez (STScI)
Supernovae als Beschleuniger der kosmischen Strahlung
Astrophysiker vermuten seit langem, dass Supernovae die Hauptverursacher der kosmischen Strahlung sind.
Diese Explosionen treten auf, wenn einem Stern, der mindestens das Achtfache der Sonnenmasse hat, der Treibstoff ausgeht. Der Kern kollabiert und prallt dann zurück, wodurch eine Schockwelle durch den Stern nach außen getrieben wird. Die Stoßwelle beschleunigt 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 einer Galaxie. Ihre Druckwellen und die sich ausdehnende Trümmerwolke können mehr als 50.000 Jahre andauern. Im Jahr 2013 zeigten Fermi-Messungen, dass Supernova-Überreste in unserem eigenen Universum vorhanden sind Milchstraße Galaxie beschleunigte kosmische Strahlung, die Gammastrahlenlicht erzeugte, wenn sie auf interstellare Materie traf. 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 im Jahrhundert vor. In Entfernungen von etwa 32 Millionen Lichtjahren kommt es im Durchschnitt nur einmal im Jahr zu einer Supernova.
Nach einem Monat Beobachtungen, beginnend mit der ersten Beobachtung von SN 2023ixf durch Teleskope für sichtbares Licht, hatte Fermi keine Gammastrahlen entdeckt.
Herausforderungen und zukünftige Forschung
„Leider bedeutet das Fehlen von Gammastrahlen nicht, dass es keine kosmische Strahlung gibt“, sagte Co-Autor Matthieu Renaud, Astrophysiker am Montpellier Universe and Particles Laboratory, Teil des Nationalen Zentrums für wissenschaftliche Forschung in Frankreich. „Wir müssen alle zugrunde liegenden Hypothesen zu Beschleunigungsmechanismen und Umweltbedingungen durchgehen, um das Fehlen von Gammastrahlen 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.
Fermis Beobachtungen bieten die erste Gelegenheit, die Bedingungen unmittelbar nach der 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 dabei helfen, den mysteriösen Quellen der kosmischen Strahlung des Universums auf den Grund zu gehen.
Fermi ist eine von Goddard geleitete Partnerschaft für Astrophysik und Teilchenphysik. Fermi wurde in Zusammenarbeit mit dem US-Energieministerium mit wichtigen Beiträgen von akademischen Institutionen und Partnern in Frankreich, Deutschland, Italien, Japan, Schweden und den Vereinigten Staaten entwickelt.