Nel 2023, l’osservazione della supernova SN 2023ixf nella galassia Pinwheel ha offerto agli astrofisici un’opportunità eccezionale per testare le ipotesi su come queste esplosioni possano accelerare particelle, note come raggi cosmici, a velocità prossime a quella della luce. Tuttavia, il Telescopio Spaziale Fermi Gamma-ray della NASA non ha rilevato alcuna emissione di luce gamma ad alta energia che ci si aspetterebbe da tali particelle.
Il 18 maggio 2023, una supernova è esplosa nella vicina galassia Pinwheel (Messier 101), situata a circa 22 milioni di anni luce di distanza nella costellazione dell’Orsa Maggiore. L’evento, denominato SN 2023ixf, è la supernova più luminosa scoperta nelle vicinanze dal lancio di Fermi nel 2008.
Risultati inaspettati dal Telescopio Fermi
“Gli astrofisici avevano precedentemente stimato che le supernove convertano circa il 10% della loro energia totale nell’accelerazione dei raggi cosmici,” ha affermato Guillem Martí-Devesa, ricercatore presso l’Università di Trieste in Italia. “Ma non abbiamo mai osservato direttamente questo processo. Con le nuove osservazioni di SN 2023ixf, i nostri calcoli risultano in una conversione energetica bassa fino all’1% nei giorni successivi all’esplosione. Questo non esclude le supernove come fabbriche di raggi cosmici, ma significa che dobbiamo approfondire la loro produzione.”
Il documento, guidato da Martí-Devesa mentre era presso l’Università di Innsbruck in Austria, apparirà in una futura edizione di Astronomy and Astrophysics.
I raggi cosmici e le loro origini
Trilioni di trilioni di raggi cosmici collidono con l’atmosfera terrestre ogni giorno. Circa il 90% di essi sono nuclei di idrogeno, o protoni, e il resto sono elettroni o nuclei di elementi più pesanti.
Gli scienziati indagano sulle origini dei raggi cosmici sin dai primi del 1900, ma le particelle non possono essere ricondotte alle loro fonti. Poiché sono cariche elettricamente, i raggi cosmici cambiano percorso mentre viaggiano verso la Terra a causa dei campi magnetici che incontrano.
“I raggi gamma, tuttavia, viaggiano direttamente verso di noi,” ha detto Elizabeth Hays, scienziata del progetto Fermi presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, nel Maryland. “I raggi cosmici producono raggi gamma quando interagiscono con la materia nel loro ambiente. Fermi è il telescopio gamma più sensibile in orbita, quindi quando non rileva un segnale atteso, gli scienziati devono spiegare l’assenza. Risolvere questo mistero costruirà un quadro più accurato delle origini dei raggi cosmici.”
Le supernove come acceleratori di raggi cosmici
Gli astrofisici sospettano da tempo che le supernove siano tra i principali contributori di raggi cosmici.
Queste esplosioni si verificano quando una stella con una massa almeno otto volte quella del Sole esaurisce il suo combustibile. Il nucleo collassa e poi rimbalza, spingendo un’onda d’urto verso l’esterno attraverso la stella. L’onda d’urto accelera le particelle, creando raggi cosmici. Quando i raggi cosmici collidono con altra materia e luce che circonda la stella, generano raggi gamma.
Le supernove hanno un grande impatto sull’ambiente interstellare di una galassia. Le loro onde d’urto e la nuvola espandente di detriti possono persistere per oltre 50.000 anni. Nel 2013, le misurazioni di Fermi hanno mostrato che i resti di supernove nella nostra galassia Via Lattea acceleravano i raggi cosmici, che generavano luce gamma quando colpivano la materia interstellare. Tuttavia, gli astronomi affermano che i resti non producono abbastanza particelle ad alta energia per corrispondere alle misurazioni degli scienziati sulla Terra.
Una teoria propone che le supernove possano accelerare i raggi cosmici più energetici della nostra galassia nei primi giorni e settimane dopo l’esplosione iniziale.
Tuttavia, le supernove sono rare, verificandosi solo poche volte al secolo in una galassia come la Via Lattea. Fino a distanze di circa 32 milioni di anni luce, una supernova si verifica, in media, solo una volta all’anno.
Dopo un mese di osservazioni, a partire dal momento in cui i telescopi a luce visibile hanno visto per la prima volta SN 2023ixf, Fermi non ha rilevato raggi gamma.
Sfide e ricerche future
“Sfortunatamente, non vedere raggi gamma non significa che non ci siano raggi cosmici,” ha detto il coautore Matthieu Renaud, astrofisico presso il Laboratorio Universo e Particelle di Montpellier, parte del Centro Nazionale per la Ricerca Scientifica in Francia. “Dobbiamo esaminare tutte le ipotesi sottostanti riguardo ai meccanismi di accelerazione e alle condizioni ambientali per convertire l’assenza di raggi gamma in un limite superiore per la produzione di raggi cosmici.”
I ricercatori propongono alcuni scenari che potrebbero aver influenzato la capacità di Fermi di vedere i raggi gamma dall’evento, come il modo in cui l’esplosione ha distribuito i detriti e la densità del materiale circostante la stella.
Le osservazioni di Fermi forniscono la prima opportunità di studiare le condizioni subito dopo l’esplosione della supernova. Ulteriori osservazioni di SN 2023ixf ad altre lunghezze d’onda, nuove simulazioni e modelli basati su questo evento, e studi futuri di altre giovani supernove aiuteranno gli astronomi a individuare le misteriose fonti dei raggi cosmici dell’universo.
Fermi è una partnership di astrofisica e fisica delle particelle gestita da Goddard. Fermi è stato sviluppato in collaborazione con il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti, con importanti contributi da istituzioni accademiche e partner in Francia, Germania, Italia, Giappone, Svezia e Stati Uniti.