L’osservazione della supernova SN 2023ixf nel 2023 nella Galassia Girandola ha fornito un’opportunità unica per studiare la produzione di raggi cosmici, ma i raggi gamma attesi non sono stati rilevati dal telescopio Fermi della NASA, indicando tassi di conversione dell’energia molto più bassi del previsto. Credito: NASA
Le osservazioni di SN 2023ixf nel 2023 hanno portato a risultati sorprendenti riguardo alla produzione di raggi cosmici da parte delle supernovae, con potenziali implicazioni per la comprensione delle origini dei raggi cosmici e dei meccanismi di accelerazione.
Nel 2023, una supernova vicina ha fornito agli astrofisici un’eccellente opportunità per testare idee su come questi tipi di esplosioni spingono le particelle, chiamate raggi cosmici, a velocità vicine alla 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, chiamato SN 2023ixf, è la supernova vicina più brillante scoperta dal lancio di Fermi nel 2008.
Risultati inattesi dal telescopio Fermi
“Gli astrofisici avevano precedentemente stimato che le supernove convertono circa il 10% della loro energia totale in raggi cosmici accelerati”, 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 hanno portato a una conversione di energia pari all'1% entro pochi giorni dall'esplosione. Ciò non esclude le supernovae come fabbriche di raggi cosmici, ma significa che abbiamo altro da imparare sulla sua produzione.
Questo articolo, condotto da Martti Devesa presso l'Università di Innsbruck in Austria, apparirà in una futura edizione della rivista Astronomia e astrofisica.
Anche quando i raggi gamma non vengono rilevati, NASAIl telescopio spaziale a raggi gamma Fermi di Fermi aiuta gli astronomi a saperne di più sull'universo. Fonte: Centro di volo spaziale Goddard della NASA
Raggi cosmici e loro origine
Trilioni e 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 studiano l’origine dei raggi cosmici dall’inizio del 1900, ma non è possibile risalire alla fonte delle particelle. Poiché sono elettricamente carichi, i raggi cosmici cambiano il loro percorso mentre viaggiano verso la Terra grazie ai campi magnetici che incontrano.
“I raggi gamma viaggiano direttamente verso di noi”, ha affermato Elizabeth Hayes, 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 dovranno spiegare l'assenza quadro più accurato dell'origine dei raggi cosmici.
Il telescopio da 48 pollici dell'Osservatorio Fred Lawrence Whipple ha catturato questa immagine in luce visibile della Galassia Girandola (Messier 101) nel giugno 2023. La posizione della supernova 2023ixf è cerchiata. L'osservatorio, situato sul Monte Hopkins in Arizona, è gestito dall'Harvard-Smithsonian Center for Astrofisica. Credito: Hiramatsu et al. 2023/Sebastian Gomez (STScI)
Le supernove come acceleratori di raggi cosmici
Gli astrofisici sospettano da tempo che le supernovae siano i maggiori contributori di raggi cosmici.
Queste esplosioni si verificano quando una stella con una massa pari ad almeno otto volte la massa del Sole rimane senza carburante. Il nucleo collassa e poi rimbalza, spingendo l'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 supernove influenzano notevolmente l'ambiente interstellare nella galassia. Le onde d’urto e la nube di detriti in espansione possono durare più di 50.000 anni. Nel 2013, le misurazioni di Fermi hanno mostrato che esistono resti di supernova sul nostro pianeta via Lattea Le galassie stavano accelerando i raggi cosmici, che generano raggi gamma quando entrano in collisione con 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 suggerisce che le supernove potrebbero accelerare i raggi cosmici più energetici nella nostra galassia nei primi giorni e settimane dopo l’esplosione iniziale.
Ma le supernove sono rare e si verificano solo poche volte ogni secolo in una galassia come la Via Lattea. A circa 32 milioni di anni luce di distanza, le supernove si formano, in media, solo una volta all’anno.
Dopo un mese di osservazioni, a partire dal primo avvistamento di SN 2023ixf da parte dei telescopi per la luce visibile, Fermi non è stato in grado di rilevare i raggi gamma.
Sfide e ricerca futura
“Sfortunatamente, non vedere i raggi gamma non significa che non ci siano raggi cosmici”, ha detto il coautore Mathieu Renaud, astrofisico del Laboratorio dell'Universo e delle Particelle di Montpellier, parte del Centro nazionale per la ricerca scientifica in Francia. “Dobbiamo rivedere tutte le ipotesi fondamentali 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 suggeriscono 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 immediatamente successive all'esplosione di una supernova. Ulteriori osservazioni di SN 2023ixf ad altre lunghezze d'onda, nuove simulazioni e modelli basati su questo evento e futuri studi su altre giovani supernovae aiuteranno gli astronomi a raggiungere le misteriose fonti di raggi cosmici nell'universo.
Fermi è una partnership di astrofisica e fisica delle particelle gestita da Goddard. Fermi è stato sviluppato in collaborazione con il Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e con importanti contributi di istituzioni accademiche e partner in Francia, Germania, Italia, Giappone, Svezia e Stati Uniti.
