Una supernova cercana en 2023 ofreció a los astrofísicos una excelente oportunidad para probar ideas sobre cómo este tipo de explosiones impulsan partículas, llamadas rayos cósmicos, hasta casi la velocidad de la luz. Pero, sorprendentemente, el telescopio espacial Fermi de rayos gamma de la NASA no detectó nada de la luz de rayos gamma de alta energía que esas partículas deberían producir.
El 18 de mayo de 2023, una supernova entró en erupción en la cercana galaxia Molinete (Messier 101), situada a unos 22 millones de años luz de distancia, en la constelación de la Osa Mayor. El evento, denominado SN 2023ixf, es la supernova cercana más luminosa descubierta desde el lanzamiento de Fermi en 2008.
"Los astrofísicos estimaron anteriormente que las supernovas convierten alrededor del 10% de su energía total en aceleración de rayos cósmicos", afirmó Guillem Martí-Devesa, investigador de la Universidad de Trieste en Italia.
"Pero nunca hemos observado este proceso directamente. Con las nuevas observaciones de SN 2023ixf, nuestros cálculos dan como resultado una conversión de energía tan baja como el 1% a los pocos días de la explosión. Esto no descarta que las supernovas sean fábricas de rayos cósmicos, pero significa que tenemos más que aprender sobre su producción."
El artículo, dirigido por Martí-Devesa mientras estaba en la Universidad de Innsbruck en Austria, aparecerá en una futura edición de Astronomy and Astrophysics .
Billones de billones de rayos cósmicos chocan con la atmósfera de la Tierra todos los días. Aproximadamente el 90 % de ellos son núcleos de hidrógeno (o protones) y el resto son electrones o núcleos de elementos más pesados.
Los científicos han estado investigando los orígenes de los rayos cósmicos desde principios del siglo XX, pero no se puede rastrear el origen de las partículas. Debido a que están cargados eléctricamente, los rayos cósmicos cambian de rumbo mientras viajan a la Tierra gracias a los campos magnéticos que encuentran.
"Sin embargo, los rayos gamma viajan directamente hacia nosotros", dijo Elizabeth Hays, científica del proyecto Fermi en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. "Los rayos cósmicos producen rayos gamma cuando interactúan con la materia en su entorno. Fermi es el telescopio de rayos gamma más sensible en órbita, por lo que cuando no detecta una señal esperada, los científicos deben explicar la ausencia. Resolver ese misterio construirá un imagen más precisa de los orígenes de los rayos cósmicos."
Los astrofísicos llevan mucho tiempo sospechando que las supernovas son las principales contribuyentes de rayos cósmicos.
Estas explosiones ocurren cuando una estrella de al menos ocho veces la masa del Sol se queda sin combustible. El núcleo colapsa y luego rebota, impulsando una onda de choque hacia afuera a través de la estrella. La onda de choque acelera las partículas y crea rayos cósmicos. Cuando los rayos cósmicos chocan con otra materia y luz que rodean la estrella, generan rayos gamma.
Las supernovas tienen un gran impacto en el entorno interestelar de una galaxia. Sus ondas expansivas y sus nubes de escombros en expansión pueden persistir durante más de 50.000 años. En 2013, las mediciones de Fermi mostraron que los restos de supernova en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea, estaban acelerando rayos cósmicos, que generaban luz de rayos gamma cuando chocaban con la materia interestelar. Pero los astrónomos dicen que los remanentes no están produciendo suficientes partículas de alta energía para igualar las mediciones de los científicos en la Tierra.
Una teoría propone que las supernovas pueden acelerar los rayos cósmicos más energéticos de nuestra galaxia en los primeros días y semanas después de la explosión inicial.
Pero las supernovas son raras y ocurren sólo unas pocas veces por siglo en una galaxia como la Vía Láctea. En distancias de unos 32 millones de años luz, se produce una supernova, en promedio, sólo una vez al año.
Después de un mes de observaciones, comenzando cuando los telescopios de luz visible vieron por primera vez SN 2023ixf, Fermi no había detectado rayos gamma.
"Desafortunadamente, no ver rayos gamma no significa que no haya rayos cósmicos", dijo el coautor Matthieu Renaud, astrofísico del Laboratorio de Universo y Partículas de Montpellier, parte del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia. "Tenemos que analizar todas las hipótesis subyacentes sobre los mecanismos de aceleración y las condiciones ambientales para convertir la ausencia de rayos gamma en un límite superior para la producción de rayos cósmicos."
Los investigadores proponen algunos escenarios que pueden haber afectado la capacidad de Fermi para ver los rayos gamma del evento, como la forma en que la explosión distribuyó los escombros y la densidad del material que rodea a la estrella.
Las observaciones de Fermi brindan la primera oportunidad de estudiar las condiciones inmediatamente después de la explosión de la supernova. Observaciones adicionales de SN 2023ixf en otras longitudes de onda, nuevas simulaciones y modelos basados en este evento y estudios futuros de otras supernovas jóvenes ayudarán a los astrónomos a perfeccionar las misteriosas fuentes de los rayos cósmicos del universo.
Más información: G. Martí-Devesa et al, Restricciones de rayos gamma en tiempos tempranos sobre la aceleración de rayos cósmicos en el colapso del núcleo SN 2023ixf con el Telescopio de Área Grande Fermi, Astronomía y Astrofísica (2024). DOI:10.1051/0004-6361/202349061
Información de la revista: Astronomía y Astrofísica
Proporcionado por el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA
