Миссия НАСА «Ферми» не обнаружила гамма-лучей от ближайшей сверхновой

48-дюймовый телескоп обсерватории Фреда Лоуренса Уиппла сделал это изображение галактики Вертушка (Мессье 101) в видимом свете в июне 2023 года. Местоположение сверхновой 2023ixf обведено кружком. Обсерватория, расположенная на горе Хопкинс в Аризоне, находится в ведении Центра астрофизики | Гарвард и Смитсоновский институт. Автор: Hiramatsu et al. 2023/Sebastian Gomez (STScI)

Близкая сверхновая в 2023 году предоставила астрофизикам прекрасную возможность проверить идеи о том, как взрывы такого типа ускоряют частицы, называемые космическими лучами, до скорости, близкой к скорости света. Но, что удивительно, космический гамма-телескоп Ферми НАСА не обнаружил ни одного высокоэнергетического гамма-излучения, которое должны были бы производить эти частицы.

«Ранее астрофизики подсчитали, что сверхновые преобразуют около 10% своей общей энергии в ускорение космических лучей», — сказал Гильем Марти-Девеса, исследователь из Университета Триеста в Италии.

«Но мы никогда не наблюдали этот процесс напрямую. Благодаря новым наблюдениям SN 2023ixf наши расчеты показывают, что преобразование энергии составляет всего 1% в течение нескольких дней после взрыва. Это не исключает сверхновые как фабрики космических лучей, но это означает, что нам нужно больше узнать об их производстве».

Статья, подготовленная Марти-Девесой во время работы в Университете Инсбрука в Австрии, появится в будущем выпуске журнала Astronomy and Astrophysicals.

Триллионы триллионов космических лучей каждый день сталкиваются с атмосферой Земли. Примерно 90% из них — ядра водорода или протоны, а остальные — электроны или ядра более тяжелых элементов.

«Однако гамма-лучи доходят прямо до нас», — сказала Элизабет Хейс, научный сотрудник проекта Ферми в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд. «Космические лучи производят гамма-лучи, когда они взаимодействуют с веществом в окружающей их среде. Ферми — самый чувствительный гамма-телескоп на орбите, поэтому, когда он не обнаруживает ожидаемого сигнала, ученые должны объяснить его отсутствие. Разгадка этой загадки позволит построить более точную картину происхождения космических лучей».

Астрофизики уже давно подозревали, что сверхновые являются главным источником космических лучей.

Эти взрывы происходят, когда у звезды, масса которой как минимум в восемь раз превышает массу Солнца, заканчивается топливо. Ядро сжимается, а затем отскакивает, выбрасывая ударную волну наружу через звезду. Ударная волна ускоряет частицы, создавая космические лучи. Когда космические лучи сталкиваются с другой материей и светом, окружающими звезду, они генерируют гамма-лучи.

Сверхновые сильно влияют на межзвездную среду галактики. Их взрывные волны и расширяющиеся облака обломков могут сохраняться более 50 000 лет. В 2013 году измерения Ферми показали, что остатки сверхновых в нашей галактике Млечный Путь ускоряют космические лучи, которые порождают гамма-излучение, когда сталкиваются с межзвездной материей. Но астрономы говорят, что остатки не производят достаточно частиц высокой энергии, чтобы соответствовать измерениям ученых на Земле.

Одна теория предполагает, что сверхновые могут ускорять самые энергичные космические лучи в нашей галактике в первые несколько дней и недель после первоначального взрыва.

Но сверхновые редки: в такой галактике, как Млечный Путь, они случаются всего несколько раз в столетие. На расстояниях около 32 миллионов световых лет сверхновая возникает в среднем только один раз в год.

После месяца наблюдений, начиная с того момента, когда телескопы видимого света впервые увидели SN 2023ixf, Ферми не обнаружил гамма-лучей.

«К сожалению, отсутствие гамма-лучей не означает, что нет космических лучей», — сказал соавтор Матье Рено, астрофизик из Лаборатории Вселенной и частиц Монпелье, входящей в состав Национального центра научных исследований во Франции. «Мы должны рассмотреть все основные гипотезы относительно механизмов ускорения и условий окружающей среды, чтобы превратить отсутствие гамма-лучей в верхний предел образования космических лучей».

Исследователи предлагают несколько сценариев, которые могли повлиять на способность Ферми видеть гамма-лучи этого события, например, то, как взрыв распределил обломки и плотность материала, окружающего звезду.

Наблюдения Ферми дают первую возможность изучить условия сразу после взрыва сверхновой. Дополнительные наблюдения сверхновой SN 2023ixf на других длинах волн, новые симуляции и модели, основанные на этом событии, а также будущие исследования других молодых сверхновых помогут астрономам отточить загадочные источники космических лучей во Вселенной.

Больше информации: G. Martí-Devesa et al, Early-time gamma-ray constraints on cosmic-ray acceleration in the core-collapse SN 2023ixf with the Fermi Large Area Telescope, Astronomy & Astrophysics (2024). DOI: 10.1051/0004-6361/202349061

Источник: NASA's Goddard Space Flight Center