Die Pinwheel-Galaxie, der Ort der Supernova SN 2023ixf (eingekreist) (Bildnachweis: Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. Hiramatsu et al. 2023/Sebastian Gomez (STScI))
Während der Untersuchung einer nahegelegenen Supernova mit dem Fermi-Gammastrahlen-Weltraumteleskop der NASA, die erforschen soll, wie diese Sternexplosionen geladene Teilchen, die so genannten kosmischen Strahlen, entzünden, haben Wissenschaftler ein noch größeres Geheimnis aufgedeckt.
Das Team fand heraus, dass die Supernova mit der Bezeichnung SN 2023ixf keine Gammastrahlen emittiert, die vorhanden sein sollten, wenn kosmische Strahlungsteilchen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt werden. Dies ist eine Entdeckung, die unser Verständnis von Supernovas in Frage stellen könnte. Wissenschaftler haben lange geglaubt, dass sie kosmische Strahlungsfabriken sind, die Gammastrahlen in immensen 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), die auch als „Nadelradgalaxie“ bekannt ist und etwa 21 Millionen Lichtjahre von der Erde entfernt ist. SN 2023ixf ist die hellste Supernova in relativer Erdnähe, die von Fermi entdeckt wurde, seit das Teleskop 2008 mit der Suche nach solchen Ereignissen begonnen hat, und wurde durch den Tod und Kollaps eines Überriesensterns mit einer geschätzten Masse von etwa dem Zwölffachen der Sonnenmasse verursacht.
Allerdings fehlt diesem mächtigen Ereignis eine wichtige Zutat. Das ist äußerst merkwürdig.
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„Astrophysiker schätzten zuvor, dass Supernovas etwa 10 % ihrer Gesamtenergie in kosmische Strahlungsbeschleunigung umwandeln“, sagte Teammitglied und Forscher der Universität Triest Guillem Martí-Devesa in einer Erklärung. „Aber wir haben diesen Prozess noch nie direkt beobachtet. Mit den neuen Beobachtungen von SN 2023ixf ergeben unsere Berechnungen eine Energieumwandlung von nur 1% innerhalb weniger Tage nach der Explosion.
„Das schließt Supernovas als kosmische Strahlenfabriken nicht aus, aber es bedeutet, dass wir mehr über ihre Produktion lernen müssen.“
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Mysteriöse Fabriken für kosmische Strahlung
Trillionen von kosmischen Strahlen treffen jeden Tag auf die Erdatmosphäre, und etwa 90 % dieser geladenen Teilchen sind Wasserstoff-Atomkerne; der Rest sind freie Elektronen oder die Kerne schwererer Elemente.
Doch die Quelle der kosmischen Strahlung war bisher schwer zu erforschen. Denn während diese geladenen Teilchen Millionen von Lichtjahren zurücklegen, um die Erde zu erreichen, treffen sie auf eine Vielzahl von Magnetfeldern, die sie ablenken. Dieses endlose Herumspringen bedeutet, dass die Flugbahn der kosmischen Strahlung kaum rekonstruiert werden kann. Hochenergetische Photonen oder Gammastrahlen erfahren keine derartigen Ablenkungen und können daher als Indikatoren für die Erzeugung kosmischer Strahlen verwendet werden.
„Gammastrahlen reisen jedoch direkt zu uns“, sagte Elizabeth Hays, die Fermi-Projektwissenschaftlerin am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, in der Erklärung. „Kosmische Strahlen erzeugen Gammastrahlen, wenn sie mit der Materie in ihrer Umgebung wechselwirken. Fermi ist das empfindlichste Gammastrahlenteleskop im Orbit. Wenn es also ein erwartetes Signal nicht entdeckt, müssen die Wissenschaftler das Fehlen erklären.
„Die Lösung dieses Rätsels wird ein genaueres Bild vom Ursprung der kosmischen Strahlung ergeben.“
Eine Illustration eines massereichen Sterns, der in einer Supernova-Explosion stirbt, ein Ereignis, von dem man annimmt, dass es eine kosmische Strahlenfabrik ist (Bildnachweis: Melissa Weiss/CfA)
Supernovae ereignen sich, wenn Sternen, die etwa achtmal so groß sind wie die Sonne, der Brennstoff ausgeht, der für die Kernfusion in ihrem Kern benötigt wird. Damit endet auch der Energieausfluss, der den Stern gegen seine eigene Schwerkraft mit Strahlungsdruck versorgt hat.
Am Ende dieses seit Millionen von Jahren andauernden kosmischen Tauziehens, bei dem die Schwerkraft der klare Sieger ist, kollabiert der Kern des Sterns. Die äußeren Schichten werden dann in einer Supernovaexplosion nach außen geschleudert.
Dieses abgeschlagene Material verursacht eine Schockwelle, die von dem sterbenden Stern ausgeht, auf umliegendes Gas und Staub trifft und Teilchen beschleunigt sowie kosmische Strahlung erzeugt. Diese Schockwellen können bis zu 50.000 Jahre lang anhalten und beeinflussen in dieser Zeit die interstellare Materie. Und wenn insbesondere die kosmische Strahlung mit interstellarem Gas und Staub in Wechselwirkung tritt, erzeugt sie Gammastrahlen-Photonen.
Im Jahr 2013 entdeckte Fermi dieses Phänomen in der Nähe von Supernova-Überresten in unserer eigenen Galaxie, der Milchstraße. Diese Entdeckung zeigte, dass diese Supernova-Überreste nicht genug hochenergetische Teilchen erzeugen, um mit den Messungen der Wissenschaftler auf der Erde übereinzustimmen. Ein Grund dafür könnte sein, dass Supernovas nur in den ersten Tagen nach dem Kollaps des Sterns, der sie auslöst, Teilchen beschleunigen, um die energiereichste kosmische Strahlung zu erzeugen.
Dieses Bild wurde noch komplizierter, als Fermi SN 2023ixf Monate lang beobachtete, nachdem die Supernova erstmals von anderen Teleskopen im sichtbaren Licht entdeckt worden war. Obwohl die Fermi-Beobachtungen direkt nach der Supernova-Explosion stattfanden, sah das NASA-Weltraumteleskop immer noch keine Gammastrahlen von SN 2023ixf.
Das Team hat einige mögliche Erklärungen dafür, warum diese Supernova zwar kosmische Strahlung, aber keine Gammastrahlung erzeugt, zumindest keine, die Fermi nachweisen kann. Eine Theorie ist, dass die Supernova-Trümmer ungleichmäßig verteilt und so ausgerichtet sind, dass die Gammastrahlen nicht zur Erde strömen und Fermi sie daher nicht finden kann. Eine andere Möglichkeit ist, dass die Trümmer um die Supernova die erzeugte Gammastrahlung absorbieren könnten.
Astronomen werden SN 2023ixf nun in anderen Wellenlängen des Lichts weiter untersuchen und Computermodelle erstellen, um herauszufinden, was die Ursache für ihr seltsames Aussehen sein könnte,
„Leider bedeutet das Fehlen von Gammastrahlen nicht, dass es keine kosmischen Strahlen gibt“, sagte Matthieu Renaud, Mitglied des Teams und Astrophysiker am Montpellier Universe and Particles Laboratory, in der Erklärung. „Wir müssen alle zugrundeliegenden Hypothesen über Beschleunigungsmechanismen und Umweltbedingungen durchgehen, um die Abwesenheit von Gammastrahlen in eine Obergrenze für die Produktion kosmischer Strahlen umzuwandeln.“
Die Forschungsergebnisse des Teams wurden zur Veröffentlichung in der Zeitschrift Astronomy and Astrophysics angenommen.
