Wetenschap
NASA's Fermi-missie ziet geen gammastraling van een nabijgelegen supernova
Op 18 mei 2023 barstte een supernova uit in het nabijgelegen Pinwheel-sterrenstelsel (Messier 101), op ongeveer 22 miljoen lichtjaar afstand in het sterrenbeeld Grote Beer. De gebeurtenis, genaamd SN 2023ixf, is de helderste nabije supernova die is ontdekt sinds de lancering van Fermi in 2008.
"Astrofysici schatten eerder dat supernova's ongeveer 10% van hun totale energie omzetten in versnelling van kosmische straling", zegt Guillem Martí-Devesa, onderzoeker aan de Universiteit van Triëst in Italië.
‘Maar we hebben dit proces nog nooit rechtstreeks waargenomen. Met de nieuwe waarnemingen van SN 2023ixf resulteren onze berekeningen in een energieconversie van slechts 1% binnen een paar dagen na de explosie. Dit sluit supernova’s niet uit als kosmische stralingsfabrieken, maar het betekent wel dat we meer te leren hebben over hun productie."
Het artikel, geleid door Martí-Devesa terwijl hij aan de Universiteit van Innsbruck in Oostenrijk werkte, zal verschijnen in een toekomstige editie van Astronomy and Astrophysics .
Elke dag komen biljoenen biljoenen kosmische straling in botsing met de atmosfeer van de aarde. Ongeveer 90% daarvan bestaat uit waterstofkernen (of protonen) en de rest bestaat uit elektronen of kernen van zwaardere elementen.
Wetenschappers onderzoeken al sinds het begin van de 20e eeuw de oorsprong van kosmische straling, maar de deeltjes zijn niet terug te voeren op hun bron. Omdat ze elektrisch geladen zijn, veranderen kosmische straling van koers terwijl ze naar de aarde reizen dankzij de magnetische velden die ze tegenkomen.
"Gammastraling reist echter rechtstreeks naar ons", zegt Elizabeth Hays, de Fermi-projectwetenschapper bij het Goddard Space Flight Center van NASA in Greenbelt, Maryland. ‘Kosmische straling produceert gammastraling wanneer ze interageren met materie in hun omgeving. Fermi is de meest gevoelige gammastralingstelescoop in een baan om de aarde, dus als hij geen verwacht signaal detecteert, moeten wetenschappers de afwezigheid verklaren. Door dat mysterie op te lossen, ontstaat een nauwkeuriger beeld van de oorsprong van kosmische straling."
Astrofysici vermoeden al lang dat supernova's de grootste bijdrage leveren aan kosmische straling.
Deze explosies vinden plaats wanneer een ster met een massa van minstens acht keer de massa van de zon geen brandstof meer heeft. De kern stort in en veert vervolgens terug, waardoor een schokgolf door de ster naar buiten wordt voortgestuwd. De schokgolf versnelt deeltjes, waardoor kosmische straling ontstaat. Wanneer kosmische straling botst met andere materie en licht rondom de ster, genereren ze gammastraling.
Supernova's hebben een grote invloed op de interstellaire omgeving van een sterrenstelsel. Hun explosiegolven en uitdijende puinwolken kunnen wel meer dan 50.000 jaar aanhouden. In 2013 toonden Fermi-metingen aan dat supernovaresten in ons eigen Melkwegstelsel kosmische straling versnelden, die gammastraling genereerde toen ze interstellaire materie raakten. Maar astronomen zeggen dat de overblijfselen niet genoeg hoogenergetische deeltjes produceren om de metingen van wetenschappers op aarde te evenaren.
Eén theorie stelt dat supernova's de meest energetische kosmische straling in onze Melkweg kunnen versnellen in de eerste paar dagen en weken na de eerste explosie.
Maar supernova's zijn zeldzaam en komen slechts een paar keer per eeuw voor in een sterrenstelsel als de Melkweg. Op afstanden van ongeveer 32 miljoen lichtjaar komt een supernova gemiddeld slechts één keer per jaar voor.
Na een maand van observaties, beginnend toen telescopen voor zichtbaar licht SN 2023ixf voor het eerst zagen, had Fermi geen gammastraling gedetecteerd.
"Helaas betekent het niet zien van gammastraling niet dat er geen kosmische straling is", zegt co-auteur Matthieu Renaud, astrofysicus bij het Montpellier Universe and Particles Laboratory, onderdeel van het Nationaal Centrum voor Wetenschappelijk Onderzoek in Frankrijk. "We moeten alle onderliggende hypothesen met betrekking tot versnellingsmechanismen en omgevingsomstandigheden doornemen om de afwezigheid van gammastraling om te zetten in een bovengrens voor de productie van kosmische straling."
De onderzoekers stellen een aantal scenario's voor die mogelijk invloed hebben gehad op Fermi's vermogen om gammastraling van de gebeurtenis waar te nemen, zoals de manier waarop de explosie het puin verspreidde en de dichtheid van het materiaal rondom de ster.
Fermi's waarnemingen bieden de eerste mogelijkheid om de omstandigheden direct na de supernova-explosie te bestuderen. Aanvullende waarnemingen van SN 2023ixf op andere golflengten, nieuwe simulaties en modellen gebaseerd op deze gebeurtenis, en toekomstige studies van andere jonge supernova's zullen astronomen helpen zich te verdiepen in de mysterieuze bronnen van de kosmische straling van het universum.