Mientras examinaban una supernova cercana con el telescopio espacial de rayos gamma Fermi de la NASA, un esfuerzo destinado a descubrir cómo estas explosiones estelares encienden partículas cargadas llamadas rayos cósmicos, los científicos han descubierto un misterio mayor.
El equipo descubrió que la supernova, denominada SN 2023ixf, carece por completo de las emisiones de rayos gamma que deberían estar presentes cuando las partículas de rayos cósmicos se aceleran a velocidades cercanas a la de la luz. Este es un descubrimiento que podría desafiar nuestra comprensión de las supernovas. Los científicos han creído durante mucho tiempo que son fábricas de rayos cósmicos, que bombean rayos gamma en inmensas cantidades.
SN 2023ixf es una “nueva” supernova (al menos tal como la vemos aquí en la Tierra) que fue descubierta el 18 de mayo de 2023. Está situada en la galaxia Messier 101 (M101), también conocida como la “galaxia molinete”, ubicada alrededor A 21 millones de años luz de la Tierra. Causada por la muerte y el colapso de una estrella supergigante con una masa estimada alrededor de 12 veces la del Sol, SN 2023ixf es la supernova más brillante relativamente cerca de la Tierra que ha sido detectada por Fermi desde que el telescopio comenzó a buscar estos eventos en 2008.
Sin embargo, este poderoso evento carece de un ingrediente clave. Eso es extremadamente extraño.
Relacionado: Mire el interior de los restos de una supernova de 800 años y vea una estrella ‘zombi’
“Los astrofísicos estimaron anteriormente que las supernovas convierten alrededor del 10% de su energía total en aceleración de rayos cósmicos”, dijo en un comunicado el miembro del equipo e investigador de la Universidad de Trieste, Guillem Martí-Devesa. “Pero nunca hemos observado este proceso directamente. Con las nuevas observaciones de SN 2023ixf, nuestros cálculos dan como resultado una conversión de energía de tan solo el 1% a los pocos días de la explosión.
“Esto no descarta las supernovas como fábricas de rayos cósmicos, pero sí significa que tenemos más que aprender sobre su producción”.
Misteriosas fábricas de rayos cósmicos
Billones de rayos cósmicos chocan contra la atmósfera de la Tierra cada día, y alrededor del 90% de estas partículas cargadas son núcleos atómicos de hidrógeno; el resto son electrones libres o núcleos de elementos más pesados.
Sin embargo, la fuente de los rayos cósmicos ha sido difícil de investigar. Esto se debe a que, a medida que estas partículas cargadas viajan millones de años luz para llegar a la Tierra, se encuentran con una multitud de campos magnéticos que las divierten. Este rebote interminable significa que la trayectoria de los rayos cósmicos es casi imposible de reconstruir. Los fotones de alta energía o los rayos gamma no experimentan tales desviaciones y, por lo tanto, pueden usarse como trazadores de la producción de rayos cósmicos.
“Sin embargo, los rayos gamma viajan directamente hacia nosotros”, dijo en el comunicado Elizabeth Hays, científica del proyecto Fermi en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland. “Los rayos cósmicos producen rayos gamma cuando interactúan con la materia de su entorno. Fermi es el telescopio de rayos gamma más sensible en órbita, por lo que cuando no detecta una señal esperada, los científicos deben explicar la ausencia.
“Resolver ese misterio construirá una imagen más precisa de los orígenes de los rayos cósmicos”.
Las supernovas ocurren cuando estrellas ocho veces más masivas que el Sol se quedan sin el combustible necesario para la fusión nuclear en sus núcleos. Esto también pone fin a la salida de energía que ha estado proporcionando presión de radiación para sostener una estrella contra su propia gravedad.
Cuando termina este tira y afloja cósmico que se ha prolongado durante millones de años, con la gravedad como clara vencedora, el núcleo de la estrella colapsa. Luego, las capas externas son expulsadas hacia afuera en una explosión de supernova.
Este material desprendido provoca una onda de choque que sale de la estrella moribunda, golpeando el gas y el polvo circundantes y acelerando las partículas, además de crear rayos cósmicos. Estas ondas de choque pueden durar hasta 50.000 años, influyendo en la materia interestelar durante ese tiempo. Y cuando los rayos cósmicos en particular interactúan con el gas y el polvo interestelar, crean fotones de rayos gamma.
En 2013, Fermi descubrió que este fenómeno ocurre alrededor de restos de supernova en nuestra propia galaxia, la Vía Láctea. Este descubrimiento reveló que estos restos de supernova no están creando suficientes partículas de alta energía para igualar las mediciones de los científicos en la Tierra. Una razón de esto puede ser que las supernovas sólo aceleran partículas para crear los rayos cósmicos más energéticos durante los primeros días después del colapso de la estrella que las lanza.
Esta imagen se complicó aún más cuando Fermi observó SN 2023ixf durante meses después de que otros telescopios detectaran la supernova por primera vez en luz visible. A pesar de las observaciones de Fermi que se realizaron inmediatamente después de la explosión de la supernova, el telescopio espacial de la NASA aún no detectó rayos gamma de SN 2023ixf.
El equipo tiene algunas explicaciones posibles de por qué esta supernova podría estar produciendo rayos cósmicos pero no rayos gamma, al menos ninguno que Fermi pueda detectar. Una teoría es que los restos de la supernova están distribuidos y alineados de manera desigual de tal manera que los rayos gamma no fluyen hacia la Tierra, por lo que Fermi no puede encontrarlos. Otra posibilidad es que los escombros alrededor de esta supernova puedan estar absorbiendo los rayos gamma que se producen.
Los astrónomos ahora continuarán estudiando SN 2023ixf en otras longitudes de onda de luz y crearán modelos por computadora para aprender qué puede estar causando su extraña apariencia.
“Desafortunadamente, no ver rayos gamma no significa que no haya rayos cósmicos”, dijo en el comunicado Matthieu Renaud, miembro del equipo y astrofísico del Laboratorio de Partículas y Universo de Montpellier. “Tenemos que revisar todas las hipótesis subyacentes sobre los mecanismos de aceleración y las condiciones ambientales para convertir la ausencia de rayos gamma en un límite superior para la producción de rayos cósmicos”.
La investigación del equipo ha sido aceptada para su publicación en la revista Astronomy and Astrophysics.
