As observações do SN 2023ixf em 2023 levaram a resultados surpreendentes em relação à produção de raios cósmicos por supernovas, com implicações potenciais para a compreensão das origens dos raios cósmicos e dos mecanismos de aceleração.

Em 2023, uma supernova próxima proporcionou aos astrofísicos uma excelente oportunidade para testar ideias sobre como estes tipos de explosões impulsionam partículas, chamadas raios cósmicos, a velocidades próximas da da luz. Mas, surpreendentemente, o Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da NASA não detectou nenhuma luz de raios gama de alta energia que essas partículas deveriam produzir.

Em 18 de maio de 2023, uma supernova irrompeu na vizinha Galáxia Catavento (Messier 101), localizada a cerca de 22 milhões de anos-luz de distância, na constelação da Ursa Maior. O evento, denominado SN 2023ixf, é a supernova próxima mais brilhante descoberta desde o lançamento do Fermi em 2008.

Resultados inesperados do telescópio Fermi

“Os astrofísicos estimaram anteriormente que as supernovas convertem cerca de 10% da sua energia total em raios cósmicos acelerados”, disse Guillem Martí Devesa, investigador da Universidade de Trieste, em Itália. “Mas nunca observámos este processo diretamente. Com as novas observações do SN 2023ixf, os nossos cálculos levaram a uma conversão de energia tão baixa como 1% poucos dias após a explosão. Isto não exclui a possibilidade de supernovas como fábricas de raios cósmicos, mas significa que temos mais a aprender sobre a sua produção.

Este artigo, conduzido por Martti Devesa enquanto estava na Universidade de Innsbruck, na Áustria, aparecerá em uma edição futura da revista Astronomia e astrofísica.

Mesmo quando os raios gama não são detectados, NASAO Telescópio Espacial de Raios Gama Fermi da Fermi ajuda os astrônomos a aprender mais sobre o universo. Fonte: Centro de Voo Espacial Goddard da NASA

Raios cósmicos e suas origens

Trilhões e trilhões de raios cósmicos colidem com a atmosfera da Terra todos os dias. Aproximadamente 90% deles são núcleos de hidrogênio – ou prótons – e o restante são elétrons ou núcleos de elementos mais pesados.

Os cientistas têm estudado as origens dos raios cósmicos desde o início de 1900, mas as partículas não podem ser rastreadas até às suas fontes. Por serem eletricamente carregados, os raios cósmicos mudam de trajetória à medida que viajam para a Terra, graças aos campos magnéticos que encontram.

“Os raios gama viajam diretamente até nós”, disse Elizabeth Hayes, cientista do projeto Fermi no Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland. “Os raios cósmicos produzem raios gama quando interagem com a matéria em seu ambiente. O Fermi é o telescópio de raios gama mais sensível em órbita, portanto, quando não detecta um sinal esperado, os cientistas devem explicar a ausência. imagem mais precisa das origens dos raios cósmicos.

O telescópio de 48 polegadas do Observatório Fred Lawrence Whipple capturou esta imagem em luz visível da Galáxia Catavento (Messier 101) em junho de 2023. A localização da supernova 2023ixf está circulada. O observatório, localizado no Monte Hopkins, no Arizona, é operado pelo Center for Astrophysics Harvard e Smithsonian. Crédito: Hiramatsu et al. 2023/Sebastian Gomez (STScI)

Supernovas como aceleradores de raios cósmicos

Os astrofísicos há muito suspeitam que as supernovas são as maiores contribuintes de raios cósmicos.

Essas explosões ocorrem quando uma estrela com massa pelo menos oito vezes a massa do Sol fica sem combustível. O núcleo entra em colapso e depois ricocheteia, empurrando a onda de choque para fora da estrela. A onda de choque acelera as partículas, criando raios cósmicos. Quando os raios cósmicos colidem com outra matéria e luz que circunda a estrela, eles geram raios gama.

As supernovas afetam muito o ambiente interestelar da galáxia. As ondas de explosão e a nuvem de detritos em expansão podem durar mais de 50 mil anos. Em 2013, as medições do Fermi mostraram que existem remanescentes de supernovas em nosso planeta via Láctea As galáxias estavam acelerando raios cósmicos, que geram luz de raios gama quando colidem com matéria interestelar. Mas os astrónomos dizem que os restos não produzem partículas de alta energia suficientes para corresponder às medições dos cientistas na Terra.

Uma teoria sugere que as supernovas podem acelerar os raios cósmicos mais energéticos da nossa galáxia nos primeiros dias e semanas após a explosão inicial.

Mas as supernovas são raras, ocorrendo apenas algumas vezes por século numa galáxia como a Via Láctea. A cerca de 32 milhões de anos-luz de distância, as supernovas ocorrem, em média, apenas uma vez por ano.

Após um mês de observações, começando com o primeiro avistamento de SN 2023ixf pelos telescópios de luz visível, Fermi não foi capaz de detectar raios gama.

Desafios e pesquisas futuras

“Infelizmente, não ver raios gama não significa que não existam raios cósmicos”, disse o coautor Mathieu Renaud, astrofísico do Laboratório do Universo e Partículas de Montpellier, parte do Centro Nacional de Pesquisa Científica da França. “Temos que rever todas as hipóteses fundamentais relativas aos mecanismos de aceleração e às condições ambientais, a fim de converter a ausência de raios gama num limite superior para a produção de raios cósmicos.”

Os investigadores sugerem alguns cenários que podem ter afetado a capacidade do Fermi de ver os raios gama do evento, tais como a forma como a explosão distribuiu os detritos e a densidade do material que rodeia a estrela.

As observações do Fermi fornecem a primeira oportunidade para estudar as condições imediatamente após a explosão de uma supernova. Observações adicionais de SN 2023ixf em outros comprimentos de onda, novas simulações e modelos baseados neste evento e estudos futuros de outras supernovas jovens ajudarão os astrônomos a chegar às misteriosas fontes de raios cósmicos no universo.

Fermi é uma parceria de astrofísica e física de partículas administrada por Goddard. O Fermi foi desenvolvido em colaboração com o Departamento de Energia dos EUA e com importantes contribuições de instituições acadêmicas e parceiros na França, Alemanha, Itália, Japão, Suécia e Estados Unidos.