התצפית ב-2023 בסופרנובה SN 2023ixf בגלקסיית השבבים סיפקה הזדמנות ייחודית לחקור את ייצור הקרניים הקוסמיות, אך קרני הגמא הצפויות לא זוהו על ידי טלסקופ פרמי של נאס"א, מה שמצביע על שיעורי המרת אנרגיה נמוכים בהרבה מהצפוי. קרדיט: נאס"א
תצפיות על SN 2023ixf בשנת 2023 הובילו לממצאים מפתיעים לגבי ייצור קרניים קוסמיות על ידי סופרנובות, עם השלכות אפשריות על הבנת מקורות הקרניים הקוסמיות ומנגנוני האצה.
בשנת 2023, סופרנובה סמוכה הציעה לאסטרופיזיקאים הזדמנות מצוינת לבדוק רעיונות לגבי האופן שבו סוגים אלה של פיצוצים מגבירים חלקיקים, הנקראים קרניים קוסמיות, למהירות האור כמעט. אבל באופן מפתיע, טלסקופ החלל פרמי קרני גמא של נאס"א לא זיהה אף אחד מאור קרני הגמא עתיר האנרגיה שהחלקיקים האלה צריכים להפיק.
ב-18 במאי 2023, התפרצה סופרנובה בגלקסיית גלגל השבבים הסמוכה (מסייר 101), הממוקמת במרחק של כ-22 מיליון שנות אור משם בקבוצת הכוכבים אורסה מז'ור. האירוע, שנקרא SN 2023ixf, הוא הסופרנובה הסמוכה הזוהרת ביותר שהתגלתה מאז שיגור פרמי ב-2008.
תוצאות בלתי צפויות מטלסקופ פרמי
"אסטרופיזיקאים העריכו בעבר שסופרנובות ממירות כ-10% מכלל האנרגיה שלהן להאצת קרניים קוסמיות", אמר Guillem Martí-Devesa, חוקר מאוניברסיטת טריאסטה באיטליה. "אבל מעולם לא צפינו בתהליך הזה ישירות. עם התצפיות החדשות של SN 2023ixf, החישובים שלנו מביאים להמרת אנרגיה נמוכה עד 1% תוך מספר ימים לאחר הפיצוץ. זה לא שולל סופרנובות כמפעלי קרניים קוסמיות, אבל זה אומר שיש לנו עוד מה ללמוד על ייצורן".
העיתון, בראשות מרטי-דבסה בזמן שהייתה באוניברסיטת אינסברוק באוסטריה, יופיע במהדורה עתידית של אסטרונומיה ואסטרופיזיקה.
גם כשהיא לא מזהה קרני גמא, נאס"אטלסקופ החלל של קרני גמא פרמי מסייע לאסטרונומים ללמוד יותר על היקום. קרדיט: מרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א
קרניים קוסמיות ומקורותיהן
טריליוני טריליוני קרניים קוסמיות מתנגשות באטמוספירה של כדור הארץ מדי יום. בערך 90% מהם הם גרעיני מימן – או פרוטונים – והשאר הם אלקטרונים או גרעינים של יסודות כבדים יותר.
מדענים חוקרים את מקורות הקרניים הקוסמיות מאז תחילת המאה ה-19, אך לא ניתן לאתר את החלקיקים למקורותיהם. מכיוון שהן טעונות חשמלית, הקרניים הקוסמיות משנות את מסלולן כשהן נוסעות לכדור הארץ הודות לשדות מגנטיים שהן נתקלות בהן.
"עם זאת, קרני גמא נודדות ישירות אלינו", אמרה אליזבת הייז, מדענית פרויקט פרמי במרכז טיסות החלל גודארד של נאס"א בגרינבלט, מרילנד. "קרניים קוסמיות מייצרות קרני גמא כשהן מקיימות אינטראקציה עם החומר בסביבתן. פרמי הוא טלסקופ קרני הגמא הרגיש ביותר במסלול, כך שכאשר הוא אינו מזהה אות צפוי, על המדענים להסביר את ההיעדר. פתרון התעלומה יבנה תמונה מדויקת יותר של מקורות הקרניים הקוסמיות."
הטלסקופ בגודל 48 אינץ' של מצפה הכוכבים של פרד לורנס וויפל צילם את תמונת האור הנראה של גלקסיית השבבים (מסיר 101) ביוני 2023. מיקומה של הסופרנובה 2023ixf מוקף בעיגול. המצפה, הממוקם על הר הופקינס באריזונה, מופעל על ידי המרכז לאסטרופיזיקה | הרווארד וסמית'סוניאן. קרדיט: Hiramatsu et al. 2023/סבסטיאן גומז (STScI)
סופרנובות כמאיצי קרניים קוסמיות
אסטרופיזיקאים חשדו זה מכבר בסופרנובות כתורמות מובילות של קרניים קוסמיות.
פיצוצים אלו מתרחשים כאשר לכוכב לפחות פי שמונה מסה של השמש נגמר הדלק. הליבה מתמוטטת ואז חוזרת, ומניעה גל הלם החוצה דרך הכוכב. גל ההלם מאיץ חלקיקים ויוצר קרניים קוסמיות. כאשר קרניים קוסמיות מתנגשות בחומר ובאור אחרים המקיפים את הכוכב, הן יוצרות קרני גמא.
סופרנובות משפיעות רבות על הסביבה הבין-כוכבית של הגלקסיה. גלי הפיצוץ שלהם וענן הפסולת המתרחב שלהם עשויים להימשך יותר מ-50,000 שנה. ב-2013, מדידות פרמי הראו ששרידי סופרנובה אצלנו שביל החלב הגלקסיות האיצו קרניים קוסמיות, שיצרו אור קרני גמא כשהן פגעו בחומר בין כוכבי. אבל אסטרונומים אומרים שהשרידים אינם מייצרים מספיק חלקיקים בעלי אנרגיה גבוהה כדי להתאים למדידות של מדענים על כדור הארץ.
תיאוריה אחת מציעה שסופרנובות עשויות להאיץ את הקרניים הקוסמיות האנרגטיות ביותר בגלקסיה שלנו בימים ובשבועות הראשונים לאחר הפיצוץ הראשוני.
אבל סופרנובות הן נדירות, ומתרחשות רק כמה פעמים במאה בגלקסיה כמו שביל החלב. למרחקים של כ-32 מיליון שנות אור, סופרנובה מתרחשת, בממוצע, רק פעם בשנה.
לאחר חודש של תצפיות, החל כאשר טלסקופי האור הנראה ראו לראשונה את SN 2023ixf, פרמי לא זיהה קרני גמא.
אתגרים ומחקר עתידי
"למרבה הצער, לראות שאין קרני גמא לא אומר שאין קרניים קוסמיות", אמר מחבר שותף מתיאו רנו, אסטרופיזיקאי במעבדת היקום והחלקיקים של מונפלייה, חלק מהמרכז הלאומי למחקר מדעי בצרפת. "עלינו לעבור על כל ההשערות הבסיסיות לגבי מנגנוני האצה ותנאי הסביבה כדי להמיר את היעדר קרני גמא לגבול עליון לייצור קרניים קוסמיות".
החוקרים מציעים כמה תרחישים שאולי השפיעו על יכולתו של פרמי לראות קרני גמא מהאירוע, כמו האופן שבו הפיצוץ פיזר פסולת וצפיפות החומר המקיף את הכוכב.
התצפיות של פרמי מספקות את ההזדמנות הראשונה לחקור את התנאים מיד לאחר פיצוץ הסופרנובה. תצפיות נוספות של SN 2023ixf באורכי גל אחרים, הדמיות ומודלים חדשים המבוססים על אירוע זה, ומחקרים עתידיים של סופרנובות צעירות אחרות יעזרו לאסטרונומים להתבונן במקורות המסתוריים של הקרניים הקוסמיות של היקום.
פרמי היא שותפות אסטרופיזיקה ופיזיקה של חלקיקים המנוהלת על ידי גודארד. Fermi פותחה בשיתוף עם משרד האנרגיה האמריקאי, עם תרומות חשובות ממוסדות אקדמיים ושותפים בצרפת, גרמניה, איטליה, יפן, שוודיה וארצות הברית.
