NASAのフェルミは近くの超新星からのガンマ線を観測していない

2023年に風車銀河で超新星SN 2023ixfを観測したことは、宇宙線生成を研究するまたとない機会となったが、期待されたガンマ線がNASAのフェルミ望遠鏡で検出されず、エネルギー変換率が予想よりもはるかに低いことが示された。 クレジット: NASA

2023 年の SN 2023ixf の観測は、超新星による宇宙線の生成に関する驚くべき結果をもたらし、宇宙線の起源と加速メカニズムの理解に潜在的な影響を与えました。

2023 年、近くの超新星は、天体物理学者に、この種の爆発が宇宙線と呼ばれる粒子をどのように光速に近い速度まで高めるかについてのアイデアをテストする絶好の機会を提供しました。 しかし驚くべきことに、NASA のフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡は、これらの粒子が生成するはずの高エネルギーのガンマ線光をまったく検出しませんでした。

2023 年 5 月 18 日、おおぐま座の約 2,200 万光年離れた近くにある風車銀河 (メシエ 101) で超新星が爆発しました。 SN 2023ixfと呼ばれるこの現象は、2008年のフェルミの打ち上げ以来発見された近くで最も明るい超新星である。

フェルミ望遠鏡からの予期せぬ結果

イタリアのトリエステ大学の研究者、ギレム・マルティ・デヴェサ氏は、「天体物理学者らは以前、超新星はその総エネルギーの約10％を加速宇宙線に変換すると推定していた」と述べた。 「しかし、私たちはこのプロセスを直接観察したことはありません。SN 2023ixfの新たな観測により、私たちの計算では、爆発後数日以内にエネルギー変換が1%という低さになります。これは超新星が宇宙線工場である可能性を排除するものではありませんが、それは、その製造についてさらに学ぶ必要があることを意味します。

この論文は、オーストリアのインスブルック大学在学中にMartti Devesa氏によって行われたもので、今後の雑誌に掲載される予定です。 天文学と天体物理学。

ガンマ線が検出されない場合でも、 NASAフェルミのフェルミ ガンマ線宇宙望遠鏡は、天文学者が宇宙についてさらに学ぶのに役立ちます。 出典: NASA ゴダード宇宙飛行センター

宇宙線とその起源

毎日何兆もの宇宙線が地球の大気に衝突します。 それらのおよそ 90% は水素原子核、つまり陽子であり、残りは電子またはより重い元素の原子核です。

科学者たちは 1900 年代初頭から宇宙線の起源を研究してきましたが、粒子の発生源を追跡することはできません。 宇宙線は帯電しているため、地球に到達する際に遭遇する磁場の影響で進路を変えます。

「ガンマ線は私たちに直接到達します」と、メリーランド州グリーンベルトにあるNASAゴダード宇宙飛行センターのフェルミプロジェクト科学者エリザベス・ヘイズ氏は言う。 「宇宙線は、環境内の物質と相互作用するときにガンマ線を生成します。フェルミは軌道上で最も感度の高いガンマ線望遠鏡です。そのため、期待される信号が検出されない場合、科学者はこのパズルを解くことで、その不在を説明する必要があります。」宇宙線の起源をより正確に把握できます。

フレッド・ローレンス・ホイップル天文台の 48 インチ望遠鏡は、2023 年 6 月に風車銀河 (メシエ 101) の可視光画像を撮影しました。超新星 2023ixf の位置は丸で囲まれています。 この天文台はアリゾナ州のホプキンス山にあり、ハーバード・スミソニアン天体物理学センターによって運営されています。 クレジット: 平松他 2023/セバスチャン・ゴメス (STScI)

宇宙線加速器としての超新星

天体物理学者は長い間、超新星が宇宙線の最大の寄与者であると疑っていました。

これらの爆発は、太陽の少なくとも 8 倍の質量を持つ星の燃料がなくなると発生します。 核は崩壊してから反発し、衝撃波を星を通して外側に押し出します。 衝撃波は粒子を加速し、宇宙線を生成します。 宇宙線が星の周りの他の物質や光と衝突すると、ガンマ線が発生します。

超新星は銀河内の星間環境に大きな影響を与えます。 爆風と拡大する破片の雲は5万年以上続く可能性がある。 2013 年、フェルミ測定により、地球上に超新星残骸が存在することが示されました。 天の川 銀河は宇宙線を加速しており、星間物質と衝突するとガンマ線光が発生します。 しかし、天文学者らは、残骸は科学者の地球上の測定値に匹敵するほどの高エネルギー粒子を生成していないと主張している。

ある理論では、超新星は、最初の爆発後の最初の数日から数週間で、銀河内で最もエネルギーの高い宇宙線を加速する可能性があることを示唆しています。

しかし、超新星はまれであり、天の川のような銀河では 1 世紀に数回しか発生しません。 約 3,200 万光年離れたところで、超新星は平均して年に 1 回しか発生しません。

可視光望遠鏡によるSN 2023ixfの最初の観測から始まった1か月の観測の後、フェルミはガンマ線を検出できなかった。

課題と今後の研究

「残念ながら、ガンマ線が見えないからといって、宇宙線が存在しないというわけではありません」と共著者で、フランス国立科学研究センターの一部であるモンペリエ宇宙・素粒子研究所の天体物理学者マチュー・ルノー氏は言う。 「ガンマ線の欠如を宇宙線生成の上限に変えるには、加速メカニズムと環境条件に関するすべての基本的な仮説を修正する必要があります。」

研究者らは、爆発による破片の分布方法や星の周囲の物質の密度など、フェルミのこの出来事からのガンマ線を見る能力に影響を与えた可能性のあるいくつかのシナリオを示唆している。

フェルミ観測は、超新星爆発直後の状態を研究する最初の機会を提供します。 他の波長でのSN 2023ixfの追加観測、この現象に基づく新しいシミュレーションとモデル、そして他の若い超新星に関する将来の研究は、天文学者が宇宙の神秘的な宇宙線源に到達するのに役立つでしょう。

フェルミは、ゴダードが管理する天体物理学と素粒子物理学のパートナーシップです。 Fermi は、米国エネルギー省と協力し、フランス、ドイツ、イタリア、日本、スウェーデン、米国の学術機関やパートナーからの重要な貢献を得て開発されました。