NASA의 페르미는 근처 초신성의 감마선을 볼 수 없습니다

2023년 SN 2023ixf의 관측은 초신성에 의한 우주선 생성에 관한 놀라운 결과를 가져왔고 우주선의 기원과 가속 메커니즘을 이해하는 데 잠재적인 영향을 미쳤습니다.

2023년 근처의 초신성은 천체 물리학자들에게 이러한 유형의 폭발이 어떻게 우주선이라고 불리는 입자를 거의 빛에 가까운 속도로 증폭시키는지에 대한 아이디어를 테스트할 수 있는 훌륭한 기회를 제공했습니다. 그러나 놀랍게도 NASA의 페르미 감마선 우주 망원경은 이러한 입자가 생성해야 하는 고에너지 감마선 빛을 전혀 감지하지 못했습니다.

2023년 5월 18일, 큰곰자리 방향으로 약 2,200만 광년 떨어진 근처 바람개비 은하(메시에 101)에서 초신성이 폭발했습니다. SN 2023ixf라고 불리는 이 사건은 2008년 페르미가 발사된 이후 발견된 가장 밝은 초신성이다.

페르미 망원경의 예상치 못한 결과

“천체 물리학자들은 이전에 초신성이 전체 에너지의 약 10%를 가속된 우주선으로 변환한다고 추정했습니다”라고 이탈리아 트리에스테 대학의 연구원인 Guillem Martí Devesa는 말했습니다. “그러나 우리는 이 과정을 직접적으로 관찰한 적이 없습니다. SN 2023ixf의 새로운 관찰을 통해 우리의 계산에 따르면 폭발 후 며칠 이내에 에너지 전환이 1%까지 낮아졌습니다. 이것은 우주선 공장인 초신성을 배제하지 않습니다. 하지만 그것은 우리가 그 생산에 대해 더 많은 것을 배울 수 있다는 것을 의미합니다.

Martti Devesa가 오스트리아 인스브루크 대학에서 수행한 이 논문은 저널의 향후 판에 게재될 예정입니다. 천문학과 천체물리학.

감마선이 검출되지 않는 경우에도 NASA페르미의 페르미 감마선 우주 망원경은 천문학자들이 우주에 대해 더 많이 알 수 있도록 도와줍니다. 출처: NASA 고다드 우주 비행 센터

우주선과 그 기원

수조 개의 우주 광선이 매일 지구 대기와 충돌합니다. 그 중 대략 90%는 수소 핵(또는 양성자)이고 나머지는 전자나 더 무거운 원소의 핵입니다.

과학자들은 1900년대 초반부터 우주선의 기원을 연구해 왔지만 입자의 근원을 추적할 수는 없습니다. 우주선은 전기적으로 충전되어 있기 때문에 발생하는 자기장으로 인해 지구로 이동할 때 경로가 변경됩니다.

메릴랜드 주 그린벨트에 있는 NASA 고다드 우주 비행 센터의 페르미 프로젝트 과학자인 엘리자베스 헤이즈(Elizabeth Hayes)는 “감마선은 우리에게 직접적으로 전달됩니다.”라고 말했습니다. “우주 광선은 주변 환경의 물질과 상호 작용할 때 감마선을 생성합니다. 페르미는 궤도에서 가장 민감한 감마선 망원경이므로 예상되는 신호를 감지하지 못할 때 과학자들은 이 미스터리를 해결해야 합니다. 우주선의 기원에 대한 더 정확한 그림.

Fred Lawrence Whipple Observatory의 48인치 망원경은 2023년 6월에 바람개비 은하(Messier 101)의 가시광선 이미지를 포착했습니다. 초신성 2023ixf의 위치는 원으로 표시되어 있습니다. 애리조나주 홉킨스 산에 위치한 이 천문대는 하버드-스미스소니언 천체물리학 센터에서 운영하고 있습니다. 크레딧: Hiramatsu et al. 2023/세바스티안 고메즈(STScI)

우주선 가속기로서의 초신성

천체 물리학자들은 초신성이 우주 광선의 가장 큰 원인이라고 오랫동안 의심해 왔습니다.

이러한 폭발은 질량이 태양 질량의 8배 이상인 별의 연료가 고갈될 때 발생합니다. 핵이 붕괴된 다음 반동하여 충격파를 별을 통해 바깥쪽으로 밀어냅니다. 충격파는 입자를 가속시켜 우주 광선을 생성합니다. 우주선이 별 주변의 다른 물질 및 빛과 충돌하면 감마선이 생성됩니다.

초신성은 은하계의 성간 환경에 큰 영향을 미칩니다. 폭발파와 팽창하는 잔해 구름은 50,000년 이상 지속될 수 있습니다. 2013년 페르미 측정 결과 초신성 잔해가 지구에 존재한다는 사실이 밝혀졌습니다. 은하수 은하계는 성간 물질과 충돌할 때 감마선 빛을 생성하는 우주선을 가속하고 있었습니다. 그러나 천문학자들은 잔해가 과학자들의 지구 측정치와 일치할 만큼 충분한 고에너지 입자를 생성하지 못한다고 말합니다.

한 이론은 초신성이 초기 폭발 후 처음 며칠 및 몇 주 동안 우리 은하계에서 가장 강력한 우주선을 가속시킬 수 있다고 제안합니다.

그러나 초신성은 매우 드물며 은하수와 같은 은하계에서는 매 세기마다 몇 번만 발생합니다. 약 3,200만 광년 떨어진 곳에 있는 초신성은 평균적으로 1년에 한 번만 발생합니다.

가시광선 망원경으로 SN 2023ixf를 처음으로 목격한 것을 시작으로 한 달 간의 관찰 끝에 페르미는 감마선을 감지할 수 없었습니다.

도전과 향후 연구

“안타깝게도 감마선을 볼 수 없다고 해서 우주 광선이 없다는 것을 의미하지는 않습니다.” 프랑스 국립 과학 연구 센터 산하 몽펠리에 우주 입자 연구소의 천체물리학자이자 공동 저자인 Mathieu Renaud의 말입니다. “감마선이 없다는 것을 우주선 생성의 상한선으로 전환하려면 가속 메커니즘과 환경 조건에 관한 모든 기본 가설을 수정해야 합니다.”

연구원들은 폭발이 파편을 분산시키는 방식과 별 주변의 물질 밀도와 같이 사건에서 감마선을 보는 페르미의 능력에 영향을 미칠 수 있는 몇 가지 시나리오를 제안합니다.

페르미 관측은 초신성 폭발 직후의 상태를 연구할 수 있는 첫 번째 기회를 제공합니다. 다른 파장에서 SN 2023ixf에 대한 추가 관측, 이 사건을 기반으로 한 새로운 시뮬레이션 및 모델, 그리고 다른 젊은 초신성에 대한 향후 연구는 천문학자들이 우주에서 신비한 우주선의 근원을 찾는 데 도움이 될 것입니다.

Fermi는 Goddard가 관리하는 천체 물리학 및 입자 물리학 파트너십입니다. Fermi는 미국 에너지부와 협력하고 프랑스, ​​독일, 이탈리아, 일본, 스웨덴 및 미국의 학술 기관 및 파트너의 중요한 기여를 통해 개발되었습니다.