Bei der Untersuchung einer nahegelegenen Supernova mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA – ein Versuch, herauszufinden, wie diese Sternexplosionen geladene Teilchen namens kosmische Strahlung entzünden – haben Wissenschaftler ein größeres Rätsel aufgedeckt.
Das Team stellte fest, dass der Supernova mit der Bezeichnung SN 2023ixf völlig die Gammastrahlungsemissionen fehlten, die vorhanden sein sollten, wenn kosmische Strahlungsteilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dies ist eine Entdeckung, die unser Verständnis von Supernovae in Frage stellen könnte. Wissenschaftler haben lange geglaubt, dass es sich dabei um Fabriken kosmischer Strahlung handelt, die Gammastrahlen in gewaltigen Mengen ausstoßen.
SN 2023ixf ist eine „neue“ Supernova (zumindest so, wie wir sie hier auf der Erde sehen), die am 18. Mai 2023 entdeckt wurde. Sie befindet sich in der Galaxie Messier 101 (M101), auch bekannt als „Windradgalaxie“, die sich um sie herum befindet 21 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt. SN 2023ixf wurde durch den Tod und Kollaps eines Überriesensterns mit einer schätzungsweise zwölffachen Masse der Sonne verursacht und ist die hellste Supernova relativ nahe an der Erde, die von Fermi entdeckt wurde, seit das Teleskop 2008 mit der Suche nach diesen Ereignissen begann.
Doch diesem kraftvollen Ereignis fehlt eine entscheidende Zutat. Das ist äußerst seltsam.
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„Astrophysiker haben zuvor geschätzt, dass Supernovae etwa 10 % ihrer Gesamtenergie in Beschleunigung der kosmischen Strahlung umwandeln“, sagte Teammitglied und Forscher der Universität Triest, Guillem Martí-Devesa, in einer Erklärung. „Aber wir haben diesen Prozess nie direkt beobachtet. Mit den neuen Beobachtungen von SN 2023ixf ergaben unsere Berechnungen eine Energieumwandlung von nur 1 % innerhalb weniger Tage nach der Explosion.“
„Das schließt Supernovae als Fabriken kosmischer Strahlung nicht aus, aber es bedeutet, dass wir noch mehr über ihre Entstehung lernen müssen.“
Geheimnisvolle Fabriken für kosmische Strahlung
Jeden Tag treffen Billionen kosmischer Strahlung auf die Erdatmosphäre, und etwa 90 % dieser geladenen Teilchen sind Atomkerne aus Wasserstoff; der Rest sind freie Elektronen oder Kerne schwererer Elemente.
Allerdings war es schwierig, die Quelle der kosmischen Strahlung zu untersuchen. Denn während diese geladenen Teilchen Millionen von Lichtjahren zurücklegen, um die Erde zu erreichen, treffen sie auf eine Vielzahl von Magnetfeldern, die sie unterhalten. Dieses endlose Hin- und Herspringen bedeutet, dass es nahezu unmöglich ist, die Flugbahn der kosmischen Strahlung zu rekonstruieren. Hochenergetische Photonen oder Gammastrahlen erfahren keine derartigen Ablenkungen und können daher als Tracer der Produktion kosmischer Strahlung verwendet werden.
„Gammastrahlen gelangen jedoch direkt zu uns“, sagte Elizabeth Hays, Wissenschaftlerin des Fermi-Projekts am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, in der Erklärung. „Kosmische Strahlung erzeugt Gammastrahlen, wenn sie mit Materie in ihrer Umgebung interagieren. Fermi ist das empfindlichste Gammastrahlenteleskop im Orbit. Wenn es also kein erwartetes Signal erkennt, müssen Wissenschaftler das Fehlen erklären.“
„Die Lösung dieses Rätsels wird zu einem genaueren Bild der Ursprünge der kosmischen Strahlung führen.“
Supernovae entstehen, wenn Sternen, die etwa achtmal so massereich wie die Sonne sind, in ihrem Kern der Treibstoff für die Kernfusion ausgeht. Dadurch wird auch der Energieabfluss beendet, der Strahlungsdruck erzeugt hat, um einen Stern gegen seine eigene Schwerkraft zu stützen.
Als dieses kosmische Tauziehen, das seit Millionen von Jahren tobte und die Schwerkraft als klarer Sieger endete, kollabiert der Kern des Sterns. Die äußeren Schichten werden dann in einer Supernova-Explosion nach außen gesprengt.
Dieses herausgestanzte Material verursacht eine Stoßwelle, die vom sterbenden Stern ausgeht, auf umgebendes Gas und Staub trifft, Teilchen beschleunigt und kosmische Strahlung erzeugt. Diese Stoßwellen können bis zu 50.000 Jahre andauern und während dieser Zeit die interstellare Materie beeinflussen. Und wenn insbesondere die kosmische Strahlung mit interstellarem Gas und Staub interagiert, entstehen Gammastrahlenphotonen.
Im Jahr 2013 entdeckte Fermi dieses Phänomen rund um Supernova-Überreste in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße. Diese Entdeckung ergab, dass diese Supernova-Überreste nicht genügend hochenergetische Teilchen erzeugen, um mit den Messungen der Wissenschaftler auf der Erde mithalten zu können. Ein Grund dafür könnte sein, dass Supernovae Teilchen nur in den ersten Tagen nach dem Kollaps des Sterns, der sie auslöst, beschleunigen, um die energiereichste kosmische Strahlung zu erzeugen.
Dieses Bild wurde noch komplizierter, als Fermi SN 2023ixf monatelang beobachtete, nachdem die Supernova erstmals von anderen Teleskopen im sichtbaren Licht entdeckt wurde. Trotz der Fermi-Beobachtungen direkt nach der Supernova-Explosion konnte das NASA-Weltraumteleskop immer noch keine Gammastrahlen von SN 2023ixf sehen.
Das Team hat einige mögliche Erklärungen dafür, warum diese Supernova kosmische Strahlung, aber keine Gammastrahlung erzeugt, zumindest keine, die Fermi nachweisen kann. Eine Theorie besagt, dass die Supernova-Trümmer so ungleichmäßig verteilt und ausgerichtet sind, dass die Gammastrahlen nicht auf die Erde strömen und Fermi sie daher nicht finden kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, dass die Trümmer um diese Supernova die erzeugte Gammastrahlung absorbieren könnten.
Astronomen werden nun SN 2023ixf in anderen Lichtwellenlängen weiter untersuchen und Computermodelle erstellen, um herauszufinden, was die Ursache für sein seltsames Aussehen sein könnte.
„Leider bedeutet das Fehlen von Gammastrahlen nicht, dass es keine kosmische Strahlung gibt“, sagte Matthieu Renaud, Teammitglied und Astrophysiker am Montpellier Universe and Particles Laboratory, in der Erklärung. „Wir müssen alle zugrunde liegenden Hypothesen zu Beschleunigungsmechanismen und Umweltbedingungen durchgehen, um die Abwesenheit von Gammastrahlung in eine Obergrenze für die Produktion kosmischer Strahlung umzuwandeln.“
Die Forschung des Teams wurde zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics angenommen.
