Космический телескоп Ферми не обнаружил гамма-лучей от ближайшей сверхновой

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 не обнаружил высокоэнергетического гамма-излучения, которое должны были бы производить эти частицы.

18 мая 2023 года в галактике Вертушка (Мессье 101), расположенной на расстоянии около 22 миллионов световых лет в созвездии Большой Медведицы, вспыхнула сверхновая. Событие, получившее название SN 2023ixf, является самой яркой сверхновой, обнаруженной с момента запуска телескопа Ферми в 2008 году.

«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. Согласно новым наблюдениям SN 2023ixf, наши расчеты приводят к преобразованию энергии всего в 1% в течение нескольких дней после взрыва. Это не исключает того, что сверхновые являются фабриками космических лучей, но это означает, что нам нужно больше узнать о них».

Даже когда космический гамма-телескоп Ферми не обнаруживает гамма-лучи, он помогает астрономам узнать больше о Вселенной. (Yandex neural network translation).

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

Ученые исследуют происхождение космических лучей уже давно, но источники частиц невозможно проследить. Поскольку космические лучи электрически заряжены, они меняют курс на пути к Земле благодаря магнитным полям, с которыми они сталкиваются.

«Однако гамма-лучи доходят прямо до нас», — говорит Элизабет Хейс, научный сотрудник проекта Ферми в Центре космических полетов имени Годдарда НАСА. «Космические лучи производят гамма-лучи, когда они взаимодействуют с веществом в окружающей их среде. Ферми — самый чувствительный гамма-телескоп на орбите, поэтому, если он не обнаруживает ожидаемого сигнала, ученые должны объяснить его отсутствие. Разгадка 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. 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 расширяющееся облако 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 расстоянии около 32 миллионов световых лет сверхновая возникает в среднем только один раз в год.

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

«К сожалению, отсутствие гамма-лучей не означает, что нет космических лучей», — говорит астрофизик Матье Рено. «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 разобраться в загадочных источниках космических лучей во Вселенной.