أتاحت مراقبة المستعر الأعظم SN 2023ixf في عام 2023 في مجرة Pinwheel فرصة فريدة لدراسة إنتاج الأشعة الكونية، لكن لم يتم اكتشاف أشعة جاما المتوقعة بواسطة تلسكوب فيرمي التابع لناسا، مما يشير إلى معدلات تحويل طاقة أقل بكثير من المتوقع. الائتمان: ناسا
أدت ملاحظات SN 2023ixf في عام 2023 إلى اكتشافات مفاجئة فيما يتعلق بإنتاج الأشعة الكونية بواسطة المستعرات الأعظم، مع آثار محتملة لفهم أصل وآليات تسارع الأشعة الكونية.
أعطى انفجار سوبر نوفا قريب في عام 2023 لعلماء الفيزياء الفلكية فرصة عظيمة لاختبار الأفكار حول كيفية تسريع هذه الأنواع من الانفجارات لجسيمات تسمى الأشعة الكونية إلى سرعة الضوء. ولكن من المثير للدهشة أن تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي التابع لناسا لم يكتشف أيًا من ضوء أشعة جاما عالي الطاقة الذي كان من المفترض أن تنتجه تلك الجسيمات.
في 18 مايو 2023، انفجر مستعر أعظم في مجرة Pinwheel (Messier 101)، التي تقع على بعد حوالي 22 مليون سنة ضوئية في كوكبة Ursa Major. هذا الحدث، المسمى SN 2023ixf، هو المستعر الأعظم القريب الأكثر سطوعًا والذي تم اكتشافه منذ إطلاق فيرمي في عام 2008.
نتائج غير متوقعة من تلسكوب فيرمي
وقال الباحث غيليم مارتي ديفيسا من جامعة تريست في إيطاليا: “قدر علماء الفيزياء الفلكية في السابق أن المستعرات الأعظم تحول 10% من إجمالي طاقتها إلى تسارع للأشعة الكونية”. “لكننا لم نلاحظ هذه العملية بشكل مباشر. مع الملاحظات الجديدة لـ SN 2023ixf، تقلل حساباتنا من تغير الطاقة إلى 1٪ خلال أيام من الانفجار. وهذا لا يستبعد أن تكون المستعرات الأعظمية بمثابة مصانع للأشعة الكونية، لكنه يعني ذلك نحن بحاجة لمعرفة المزيد عن إنتاجهم.
سيظهر المقال، الذي أدارته مارتي ديفيسا أثناء وجوده في جامعة إنسبروك في النمسا، في طبعة مستقبلية علم الفلك والفيزياء الفلكية.
على الرغم من عدم اكتشاف أشعة جاما، ناسايساعد تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي علماء الفلك على معرفة المزيد عن الكون. المصدر: مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا
الأشعة الكونية وأصلها
تضرب تريليونات وتريليونات من الأشعة الكونية الغلاف الجوي للأرض كل يوم. حوالي 90% منها عبارة عن نوى هيدروجين – أو بروتونات – والباقي عبارة عن إلكترونات أو نوى عناصر أثقل.
كان العلماء يدرسون أصل الأشعة الكونية منذ أوائل القرن العشرين، لكن لا يمكن إرجاع الجسيمات إلى أصولها. نظرًا لأنها مشحونة كهربائيًا، فإن الأشعة الكونية تغير مسارها بفضل المجالات المغناطيسية التي تواجهها أثناء انتقالها إلى الأرض.
وقالت إليزابيث هايز، عالمة مشروع فيرمي، من مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند: “أشعة جاما تتجه نحونا مباشرة”. “تنتج الأشعة الكونية أشعة جاما عندما تتفاعل مع المادة في بيئتها. فيرمي هو أكثر تلسكوبات أشعة جاما حساسية في المدار، لذلك عندما لا يكتشف الإشارة المتوقعة، يجب على العلماء تفسير الغياب. حل هذا اللغز سيؤدي إلى اكتشاف صورة أكثر دقة لأصول الأشعة الكونية.”
التقط تلسكوب مرصد فريد لورانس ويبل مقاس 48 بوصة صورة ضوئية مرئية لمجرة دولاب الهواء (Messier 101) في يونيو 2023. المستعر الأعظم 2023ixf محاط بدائرة. يقع المرصد على جبل هوبكنز في ولاية أريزونا، ويديره مركز الفيزياء الفلكية هارفارد وسميثسونيان. الائتمان: هيراماتسو وآخرون. 2023/سيباستيان جوميز (STScI)
المستعرات الأعظم كمسرعات للأشعة الكونية
لقد اشتبه علماء الفيزياء الفلكية منذ فترة طويلة في أن المستعرات الأعظم هي مساهمات كبيرة في الأشعة الكونية.
وتحدث هذه الانفجارات عندما ينفد وقود نجم تبلغ كتلته ثمانية أضعاف كتلة الشمس على الأقل. ينهار القلب ثم يرتد، مرسلاً موجة صادمة إلى الخارج عبر النجم. تعمل موجة الصدمة على تسريع الجسيمات، مما يخلق الأشعة الكونية. عندما تصطدم الأشعة الكونية بمادة أخرى وضوء حول النجم، فإنها تنتج أشعة غاما.
تؤثر المستعرات الأعظم بشكل كبير على البيئة بين النجوم للمجرة. يمكن أن تستمر موجات الانفجار وسحابة الحطام المتوسعة لأكثر من 50000 عام. في عام 2013، أظهرت قياسات فيرمي أن لدينا بقايا المستعر الأعظم درب التبانة كانت النجوم تسرع الأشعة الكونية التي تنتج ضوء أشعة جاما عندما تصطدم بالمادة بين النجوم. لكن علماء الفلك يقولون إن الحطام لم ينتج ما يكفي من الجسيمات عالية الطاقة لمطابقة قياسات العلماء على الأرض.
تقترح إحدى النظريات أن المستعرات الأعظم يمكنها تسريع الأشعة الكونية عالية الطاقة إلى مجرتنا في الأيام والأسابيع القليلة الأولى بعد الانفجار الأولي.
لكن المستعرات الأعظمية نادرة الحدوث، فهي تحدث بضع مرات فقط كل قرن في مجرة مثل درب التبانة. على مسافة حوالي 32 مليون سنة ضوئية، يحدث المستعر الأعظم مرة واحدة فقط في السنة في المتوسط.
بعد شهر من الملاحظات، بدءًا من رؤية تلسكوبات الضوء المرئي لأول مرة لـ SN 2023ixf، لم يتم اكتشاف أي أشعة غاما فيرمي.
التحديات والبحوث المستقبلية
وقال ماثيو رينو، عالم الفيزياء الفلكية في مختبر مونبلييه للكون والجسيمات، وهو جزء من المركز الوطني للبحث العلمي في فرنسا: “لسوء الحظ، فإن رؤية أشعة جاما لا تعني عدم وجود الأشعة الكونية”. “لكي نجعل غياب أشعة جاما حدًا أعلى لإنتاج الأشعة الكونية، نحتاج إلى النظر في جميع الفرضيات الأساسية المتعلقة بآليات التسارع والظروف البيئية.”
يقترح الباحثون بعض السيناريوهات التي ربما أثرت على قدرة فيرمي على رؤية أشعة جاما من الحدث، مثل الطريقة التي وزع بها الانفجار الحطام وكثافة المواد حول النجم.
توفر ملاحظات فيرمي الفرصة الأولى لدراسة الظروف بعد انفجار المستعر الأعظم. ستساعد الملاحظات الإضافية لـ SN 2023ixf في الأطوال الموجية الأخرى، وعمليات المحاكاة والنماذج الجديدة المستندة إلى هذا الحدث، والدراسات المستقبلية للمستعرات الأعظمية الشابة الأخرى، علماء الفلك على كشف المصادر الغامضة للأشعة الكونية في الكون.
فيرمي هي شراكة في مجال الفيزياء الفلكية وفيزياء الجسيمات يديرها جودارد. تم تطوير FERMI بالتعاون مع وزارة الطاقة الأمريكية، مع مساهمات رئيسية من المؤسسات الأكاديمية وأصحاب المصلحة في فرنسا وألمانيا وإيطاليا واليابان والسويد والولايات المتحدة.