Mentre esaminavano una supernova vicina con il telescopio spaziale a raggi gamma Fermi della NASA, uno sforzo volto a scoprire come queste esplosioni stellari accendono particelle cariche chiamate raggi cosmici, gli scienziati hanno portato alla luce un mistero più grande. Il team ha scoperto che la supernova, denominata SN 2023ixf, è completamente priva delle emissioni di raggi gamma che dovrebbero essere presenti quando le particelle di raggi cosmici vengono accelerate a velocità vicine alla luce. Questa è una scoperta che potrebbe mettere alla prova la nostra comprensione delle supernovae. Gli scienziati credono da tempo che siano fabbriche di raggi cosmici, che emettono raggi gamma in quantità immense.
SN 2023ixf è una "nuova" supernova (almeno per come la vediamo qui sulla Terra) scoperta il 18 maggio 2023. È situata nella galassia Messier 101 (M101), conosciuta anche come "Galassia Girandola", situata a circa 21 milioni di anni luce dalla Terra. Causata dalla morte e dal collasso di una stella supergigante con una massa stimata intorno a 12 volte quella del Sole, SN 2023ixf è la supernova più brillante relativamente vicina alla Terra avvistata da Fermi da quando il telescopio ha iniziato la ricerca di questi eventi nel 2008.
Tuttavia, a questo potente evento manca un ingrediente chiave e ciò è estremamente strano.
"Gli astrofisici avevano precedentemente stimato che le supernove convertono circa il 10% della loro energia totale in accelerazione dei raggi cosmici", ha detto in una nota Guillem Martí-Devesa, membro del team e ricercatore dell'Università di Trieste. "Ma non abbiamo mai osservato direttamente questo processo. Con le nuove osservazioni di SN 2023ixf, i nostri calcoli risultano in una conversione di energia pari all'1% entro pochi giorni dall'esplosione. Ciò non esclude che le supernovae siano fabbriche di raggi cosmici, ma significa che abbiamo ancora molto da imparare sulla loro produzione".
Misteriose fabbriche di raggi cosmici
Trilioni di raggi cosmici colpiscono ogni giorno l'atmosfera terrestre e circa il 90% di queste particelle cariche sono nuclei atomici di idrogeno; il resto sono elettroni liberi o nuclei di elementi più pesanti.
Tuttavia, la fonte dei raggi cosmici è stata difficile da indagare. Questo perché, mentre queste particelle cariche viaggiano per milioni di anni luce per raggiungere la Terra, incontrano una moltitudine di campi magnetici che le deviano. Questo rimbalzo infinito rende quasi impossibile ricostruire la traiettoria dei raggi cosmici. I fotoni ad alta energia o i raggi gamma non subiscono tali deflessioni e possono quindi essere utilizzati come traccianti della produzione di raggi cosmici.
"I raggi gamma, tuttavia, viaggiano direttamente verso di noi", ha affermato 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 a raggi gamma più sensibile in orbita, quindi quando non rileva un segnale atteso, gli scienziati devono spiegare l'assenza. Risolvere quel mistero costruirà un quadro più accurato delle origini dei raggi cosmici".
Le supernove si verificano quando stelle circa otto volte più massicce del Sole esauriscono il carburante necessario per la fusione nucleare nei loro nuclei. Ciò pone fine anche al deflusso di energia che ha fornito la pressione di radiazione per sostenere una stella contro la sua stessa gravità. Quando questo tiro alla fune cosmico che infuria da milioni di anni finisce, con la gravità come chiaro vincitore, il nucleo della stella collassa. Gli strati esterni vengono poi fatti esplodere verso l'esterno in un'esplosione di supernova.
Questo materiale provoca un'onda d'urto che fuoriesce dalla stella morente, colpendo il gas e la polvere circostanti e accelerando le particelle, oltre a creare raggi cosmici. Queste onde d'urto possono durare fino a 50.000 anni, influenzando la materia interstellare durante quel periodo. E quando i raggi cosmici in particolare interagiscono con il gas e la polvere interstellari, creano fotoni di raggi gamma.
Il mistero della supernova SN 2023ixf
Nel 2013, Fermi ha scoperto che questo fenomeno avviene attorno ai resti di supernova nella nostra galassia, la Via Lattea. Questa scoperta ha rivelato che questi resti di supernova non creano abbastanza particelle ad alta energia per eguagliare le misurazioni degli scienziati sulla Terra. Una ragione potrebbe essere che le supernove accelerano le particelle per creare i raggi cosmici più energetici solo durante i primi giorni dopo il collasso della stella che le lancia.
Il quadro si è complicato ulteriormente quando Fermi ha osservato SN 2023ixf per mesi dopo che la supernova era stata rilevata per la prima volta da altri telescopi nella luce visibile. Nonostante le osservazioni di Fermi siano arrivate subito dopo l'esplosione della supernova, il telescopio spaziale della NASA non ha ancora visto raggi gamma provenienti da SN 2023ixf.
Il team ha alcune possibili spiegazioni sul motivo per cui questa supernova potrebbe produrre raggi cosmici ma non raggi gamma, almeno nessuno che Fermi possa rilevare. Una teoria è che i detriti della supernova siano distribuiti in modo non uniforme e allineati in modo tale che i raggi gamma non fluiscano verso la Terra, quindi Fermi non riesce a trovarli. Un'altra possibilità è che i detriti attorno a questa supernova potrebbero assorbire tutti i raggi gamma prodotti.
Gli astronomi continueranno ora a studiare SN 2023ixf in altre lunghezze d'onda della luce e a creare modelli computerizzati per scoprire cosa potrebbe causare il suo strano aspetto.
"Sfortunatamente, non vedere raggi gamma non significa che non ci siano raggi cosmici", ha detto Matthieu Renaud, membro del team e astrofisico del Montpellier Universe and Particles Laboratory. "Dobbiamo esaminare tutte le ipotesi sottostanti riguardanti i meccanismi di accelerazione e le condizioni ambientali per convertire l'assenza di raggi gamma in un limite superiore per la produzione di raggi cosmici".
La ricerca è stata accettata per la pubblicazione sulla rivista Astronomy and Astrophysics.