A tavaly feltűnt, közeli, 2023ixf jelű szupernóva kiváló lehetőséget biztosít az asztrofizikusok arra vonatkozó elméleteinek tesztelésére, hogy a csillagrobbanások hogyan és milyen időskálán gyorsítják közel fénysebességre a kozmikus részecskéket. Meglepő módon azonban a NASA Fermi gamma-űrtávcsöve nem detektálta a várt, nagy energiájú sugárzást az említett szupernóva esetében.

A csillagászok régóta a kozmikus sugárzás (azaz a Földet a világűrből érő, extrém nagy energiájú elemi részecskék és fotonok) jelentős kibocsátóinak tartják az ún. magösszeomlásos szupernóvákat. Egy ilyen robbanás akkor következik be, amikor egy legalább 8 naptömeggel rendelkező csillag kifogy a fúziós üzemanyagából. Ekkor a mag tömör neutrongömbbé omlik össze, majd a csillaglégkör rázuhanó, külső rétegei erről visszapattanva egy hatalmas energiájú és sebességű lökéshullámot keltenek, ami a környező részecskéket felgyorsítva a Földről is észlelhető kozmikus sugárzást eredményez(het). Ezek a közel fénysebességre gyorsult részecskék pedig az objektumot körülvevő anyaggal való kölcsönhatásaik során extrém nagy energiájú fotonokat, ún. gamma-sugárzást keltenek

A Föld atmoszférájával trilliószor trilliónyi kozmikus részecske ütközik naponta. Ezek közel 90%-a hidrogénmagok (vagyis protonok), elektronok, vagy pedig nehezebb elemek atommagjai. A kozmikus sugárzás részecskéinek eredetét már az 1900-as évek óta vizsgálják a szakemberek, de visszakövetésük sokszor meglehetősen nehéz. Ennek oka, hogy mire az elektromosan töltött részecskék elernek a Földig, a pályájukat erősen befolyásolják a különböző mágneses terek, amelyekkel kölcsönhatásba kerülnek. A környezetükben lévő anyaggal való kölcsönhatások során keletkező gammafotonok viszont nem térülnek el a mágneses terekben, így egy-egy kozmikus forrás jól meghatározhatóvá válik, ha gammatartományban észleljük.

A szupernóvák nagy hatással vannak a galaxisok csillagközi anyagára is, hiszen a robbanás hulláma és a törmelékfelhő tágulása több, mint 50 000 évig is eltarthat. A NASA Fermi-űrtávcsövének mérései szerint a Tejútrendszerünk idős szupernóva-maradványai is még mindig képesek a kozmikus sugárzást alkotó részecskék gyorsítására, amik aztán a csillagközi anyaggal ütközve gamma-sugarakat bocsátanak ki. Viszont a csillagászok szerint a több száz,ill. több ezer éves maradványok lökéshullámai nem produkálhatnak annyira nagy energiájú (Petaelektronvolt nagyságrendű) részecskéket, amelyeket szintén ki szoktak mutatni a földi mérések során.

Egy elmélet szerint a szupernóvák a robbanást követő első néhány napban, illetve hétben alkalmasak leginkább az extrém energiájú kozmikus sugárzás keltésére. Ennek megfigyelése azonban nagyon nehéz, mivel a kellő közelségben robbanó szupernóvák ritkák: évszázadonként csak párszor következik be hasonló esemény egy Tejútrendszerhez hasonló galaxisban, így, a kb. 30 millió fényéves környezetünkben átlagosan évente egy új magösszeomlásos szupernóva tűnik csak fel.

Az SN 2023ixf jelű szupernóva 2023. május 18-án ragyogott fel a Szélkerék-galaxisban (M101), amely tőlünk mintegy 22 millió fényévre található a Nagy Medve csillagkép irányában. A jelenlegi legérzékenyebb gamma-űrteleszkóp, a Fermi-űrtávcső 2008-as indulása óta ez volt az egyik legfényesebb szupernóva-robbanás a közelünkben, így a „szokásos”, hosszabb hullámhosszúságú méréseken túl lehetőség nyílt a gammatartományban folyó, alapos vizsgálatra is.

Az SN 2023ixf jelű szupernóva az M101 galaxisban (a szerző által az SZTE Bajai Obszervatórium 2023.05.22-i felvételeiből összeállított színes kompozit kép).

A várakozások ellenére a Fermi viszont nem detektált gamma-sugárzást az SN 2023ixf irányából a robbanást követő első egy hónapban. A kutatók szerint az, hogy nem detektálták, nem jelenti azt, hogy nem is keletkezett a robbanást követően nagy energiájú kozmikus sugárzás. Ennek megmagyarázásához azonban alaposabban meg kell vizsgálniuk az elmélet azon részeit, amelyek a gyorsító mechanizmusokra és a környezeti feltételekre vonatkoznak. Pozitív gammadetektálás hiányában a kutatócsoport a kozmikus részecskegyorsítás energiamérlegére vonatkozóan egy felső határt tudott megszabni. Míg az asztrofizikusok korábbi becslése az volt, hogy a szupernóvák a robbanás során felszabaduló energiájuk akár 10%-át a kozmikus sugárzás részecskéinek gyorsítására fordítják, az SN 2023ixf esetében ez az energiaráfordítás legfeljebb csak 1%-nyi lehetett.

Több elmélet is született a törmelékfelhő tágulására és a csillagot körülvevő anyag sűrűségére vonatkozóan arra, hogy mi befolyásolhatta a Fermit a gamma-sugárzás detektálásának sikertelenségében. Ahhoz viszont, hogy jobban kiismerjék magunkat a kozmikus részecskegyorsítás rejtélyes világában, a csillagászoknak az SN 2023ixf más hullámhosszakon felvett adatsorainak további elemzésére, új szimulációk és modellek készítésére, illetve további hasonló, fiatal objektumok tanulmányozására van szükségük.

Az SN 2023ixf Fermi-űrtávcsővel végzett méréseinek elemzését taglaló szakcikk – a Trieszti Egyetem és Innsbrucki Egyetem színeiben kutató Guillem Martí-Devesa vezetésével – az Astronomy and Astrophysics c. folyóiratban jelent meg.

Forrás: Science Daily (2024.04.16.)