费米太空望远镜发现了一颗伽马射线缺失的奇怪超新星SN 2023ixf

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Pinwheel星系，超新星SN 2023ixf的位置（圈出）（图片来源：天体物理中心|哈佛和史密森学会。平松等人2023/Sebastian Gomez（STScI））

据美国太空网（Robert Lea）：在用美国国家航空航天局的费米伽马射线太空望远镜检查附近的一颗超新星时，科学家们发现了一个更大的谜团，这是为了发现这些恒星爆炸是如何点燃被称为宇宙射线的带电粒子的。

研究小组发现，这颗被命名为SN 2023ixf的超新星完全缺乏宇宙射线粒子加速到接近光速时应该存在的伽马射线发射。这一发现可能会挑战我们对超新星的理解。长期以来，科学家们一直认为它们是宇宙射线工厂，大量地释放伽马射线。

SN 2023ixf是一颗“新”超新星（至少我们在地球上看到的），于2023年5月18日被发现。它位于梅西耶101星系（M101），也被称为“风车星系”，距离地球约2100万光年。SN 2023ixf是由一颗质量估计约为太阳12倍的超巨星的死亡和坍缩引起的，是自2008年望远镜开始寻找这些事件以来，费米发现的距离地球相对较近的最亮的超新星。

然而，这一强有力的事件缺乏一个关键因素。这太奇怪了。

团队成员、的里雅斯特大学研究员Guillem Martí-Devesa在一份声明中表示：“天体物理学家此前估计，超新星将其总能量的约10%转化为宇宙射线加速度。”。“但我们从未直接观察到这一过程。根据SN 2023ixf的新观测结果，我们的计算结果表明，爆炸后几天内能量转化率低至1%。

“这并不排除超新星是宇宙射线工厂，但这确实意味着我们对它们的生产还有更多的了解。”

神秘的宇宙射线工厂

每天都有数万亿的宇宙射线撞击地球大气层，其中约90%的带电粒子是氢原子核；其余的是自由电子或较重元素的原子核。

然而，宇宙射线的来源一直难以调查。这是因为，当这些带电粒子行进数百万光年到达地球时，它们会遇到大量的磁场，从而使它们转向。这种无休止的反弹意味着宇宙射线的轨迹几乎不可能重建。高能光子或伽马射线不会经历这种偏转，因此可以用作宇宙射线产生的示踪剂。

位于马里兰州格林贝尔特的美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心的费米项目科学家伊丽莎白·海斯在声明中说：“然而，伽马射线会直接射向我们。”。“宇宙射线在与环境中的物质相互作用时会产生伽马射线。费米望远镜是轨道上最灵敏的伽马射线望远镜，因此当它没有探测到预期的信号时，科学家必须解释其缺失。

“解开这一谜团将更准确地了解宇宙射线的起源。”



一颗大质量恒星在超级mnova爆炸中死亡的插图，这一事件被认为是宇宙射线工厂（图片来源：Melissa Weiss/CfA）

当质量大约是太阳八倍的恒星耗尽其核心核聚变所需的燃料时，就会发生超新星。这也结束了一直提供辐射压力来支撑恒星抵抗自身引力的能量外流。

随着这场持续了数百万年的宇宙拉锯战的结束，引力显然是胜利者，恒星的核心坍塌了。外层然后在超新星爆炸中向外爆炸。

这种被冲压掉的物质会产生冲击波，从垂死的恒星中冲出，冲击周围的气体和尘埃，加速粒子，并产生宇宙射线。这些冲击波可以持续长达50000年，在这段时间内影响星际物质。特别是当宇宙射线与星际气体和尘埃相互作用时，它们会产生伽马射线光子。

2013年，费米发现这种现象发生在我们银河系的超新星遗迹周围。这一发现表明，这些超新星遗迹没有产生足够的高能粒子，无法与科学家在地球上的测量结果相匹配。其中一个原因可能是，超新星只会在发射粒子的恒星坍塌后的头几天加速粒子产生最高能的宇宙射线。

在其他望远镜首次在可见光中探测到这颗超新星后，费米对SN 2023ixf进行了数月的观察，这张照片变得更加复杂。尽管在超新星爆炸后不久就进行了费米观测，但美国国家航空航天局的太空望远镜仍然没有看到来自SN 2023ixf的伽马射线。

对于为什么这颗超新星可能产生宇宙射线而不是伽马射线，该团队有一些可能的解释，至少费米无法探测到伽马射线。一种理论认为，超新星碎片的分布和排列不均匀，伽马射线不会流向地球，所以费米找不到它们。另一种可能性是，这颗超新星周围的碎片可能正在吸收产生的任何伽马射线。

天文学家现在将继续研究其他波长的SN 2023ixf，并创建计算机模型来了解是什么导致了它奇怪的外观，

“不幸的是，没有看到伽马射线并不意味着没有宇宙射线，”团队成员、蒙彼利埃宇宙和粒子实验室的天体物理学家Matthieu Renaud在声明中说。“我们必须研究所有关于加速机制和环境条件的基本假设，才能将伽马射线的缺乏转化为宇宙射线产生的上限。”

该团队的研究已被《天文学与天体物理学》杂志接受发表。