فيرمي التابع لناسا لا يرى أي أشعة جاما من المستعر الأعظم القريب

أدت ملاحظات SN 2023ixf في عام 2023 إلى نتائج مفاجئة فيما يتعلق بإنتاج الأشعة الكونية بواسطة المستعرات الأعظم، مع آثار محتملة على فهم أصول الأشعة الكونية وآليات التسارع.

في عام 2023، أتاح مستعر أعظم قريب لعلماء الفيزياء الفلكية فرصة ممتازة لاختبار الأفكار حول كيفية تعزيز هذه الأنواع من الانفجارات للجسيمات، التي تسمى الأشعة الكونية، إلى سرعة قريبة من الضوء. ولكن من المثير للدهشة أن تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي التابع لناسا لم يكتشف أيًا من ضوء أشعة جاما عالي الطاقة الذي يجب أن تنتجه تلك الجسيمات.

في 18 مايو 2023، اندلع مستعر أعظم في مجرة ​​Pinwheel القريبة (Messier 101)، والتي تقع على بعد حوالي 22 مليون سنة ضوئية في كوكبة الدب الأكبر. هذا الحدث، المسمى SN 2023ixf، هو المستعر الأعظم القريب الأكثر سطوعًا الذي تم اكتشافه منذ إطلاق فيرمي في عام 2008.

نتائج غير متوقعة من تلسكوب فيرمي

وقال غيليم مارتي ديفيسا، الباحث في جامعة تريست في إيطاليا: “قدر علماء الفيزياء الفلكية في السابق أن المستعرات الأعظم تحول حوالي 10% من إجمالي طاقتها إلى تسارع للأشعة الكونية”. “لكننا لم نلاحظ هذه العملية بشكل مباشر أبدًا. ومع الملاحظات الجديدة لـ SN 2023ixf، أدت حساباتنا إلى تحويل طاقة منخفض يصل إلى 1% في غضون أيام قليلة بعد الانفجار. وهذا لا يستبعد أن تكون المستعرات الأعظمية بمثابة مصانع للأشعة الكونية، لكنه يعني أن لدينا المزيد لنتعلمه عن إنتاجها.

ستظهر هذه الورقة البحثية، التي أجراها مارتي ديفيسا أثناء وجوده في جامعة إنسبروك في النمسا، في طبعة مستقبلية من مجلة علم الفلك والفيزياء الفلكية.

حتى عندما لا يكتشف أشعة جاما، ناسايساعد تلسكوب فيرمي لأشعة جاما الفضائي التابع لشركة فيرمي علماء الفلك على معرفة المزيد عن الكون. المصدر: مركز غودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا

الأشعة الكونية وأصولها

تصطدم تريليونات تريليونات من الأشعة الكونية بالغلاف الجوي للأرض كل يوم. ما يقرب من 90٪ منها عبارة عن نوى هيدروجين – أو بروتونات – والباقي عبارة عن إلكترونات أو نوى عناصر أثقل.

لقد كان العلماء يدرسون أصول الأشعة الكونية منذ أوائل القرن العشرين، لكن لا يمكن إرجاع الجسيمات إلى مصادرها. نظرًا لأنها مشحونة كهربائيًا، فإن الأشعة الكونية تغير مسارها أثناء انتقالها إلى الأرض بفضل المجالات المغناطيسية التي تواجهها.

وقالت إليزابيث هايز، عالمة مشروع فيرمي في مركز جودارد لرحلات الفضاء التابع لناسا في جرينبيلت بولاية ماريلاند: “أشعة جاما تنتقل مباشرة إلينا”. “تنتج الأشعة الكونية أشعة جاما عندما تتفاعل مع المادة الموجودة في بيئتها. يعد فيرمي هو التلسكوب الأكثر حساسية لأشعة جاما في المدار، لذلك عندما لا يكتشف إشارة متوقعة، يجب على العلماء تفسير الغياب. سيؤدي حل هذا اللغز إلى بناء صورة أكثر دقة لأصول الأشعة الكونية.

التقط تلسكوب مرصد فريد لورانس ويبل مقاس 48 بوصة هذه الصورة بالضوء المرئي لمجرة Pinwheel (Messier 101) في يونيو 2023. موقع المستعر الأعظم 2023ixf محاط بدائرة. المرصد، الواقع على جبل هوبكنز في ولاية أريزونا، يديره مركز الفيزياء الفلكية هارفارد وسميثسونيان. الائتمان: هيراماتسو وآخرون. 2023/سيباستيان جوميز (STScI)

المستعرات الأعظم كمسرعات للأشعة الكونية

لطالما اشتبه علماء الفيزياء الفلكية في أن المستعرات الأعظم هي أكبر المساهمين في الأشعة الكونية.

تحدث هذه الانفجارات عندما ينفد وقود نجم تبلغ كتلته ثمانية أضعاف كتلة الشمس على الأقل. ينهار القلب ثم يرتد، مما يدفع موجة الصدمة إلى الخارج عبر النجم. تعمل موجة الصدمة على تسريع الجسيمات، مما يخلق الأشعة الكونية. عندما تصطدم الأشعة الكونية بالمادة الأخرى والضوء المحيط بالنجم، فإنها تولد أشعة غاما.

تؤثر المستعرات الأعظم بشكل كبير على البيئة بين النجوم في المجرة. قد تستمر موجات الانفجار وسحابة الحطام المتوسعة لأكثر من 50 ألف عام. في عام 2013، أظهرت قياسات فيرمي أن بقايا المستعر الأعظم موجودة في كوكبنا درب التبانة كانت المجرات تسرع الأشعة الكونية، التي تولد ضوء أشعة جاما عندما تصطدم بالمادة بين النجوم. لكن علماء الفلك يقولون إن البقايا لا تنتج ما يكفي من الجسيمات عالية الطاقة لمطابقة قياسات العلماء على الأرض.

تقترح إحدى النظريات أن المستعرات الأعظم قد تؤدي إلى تسريع الأشعة الكونية الأكثر نشاطًا في 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 بعد حوالي 32 مليون سنة ضوئية، تحدث المستعرات الأعظم، في المتوسط، مرة واحدة فقط في السنة.

بعد شهر من الملاحظات، بدءًا من رؤية تلسكوبات الضوء المرئي لأول مرة لـ SN 2023ixf، لم يتمكن فيرمي من اكتشاف أشعة غاما.

التحديات والأبحاث المستقبلية

وقال المؤلف المشارك ماتيو رينو، عالم الفيزياء الفلكية في مختبر مونبلييه للكون والجسيمات، وهو جزء من المركز الوطني للبحث العلمي في فرنسا: “لسوء الحظ، عدم رؤية أشعة جاما لا يعني عدم وجود أشعة كونية”. “علينا أن نراجع جميع الفرضيات الأساسية المتعلقة بآليات التسارع والظروف البيئية من أجل تحويل غياب أشعة جاما إلى حد أعلى لإنتاج الأشعة الكونية.”

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 المحيطة بالنجم.

توفر ملاحظات فيرمي الفرصة الأولى لدراسة الظروف مباشرة 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 الوصول إلى المصادر الغامضة للأشعة الكونية في الكون.

فيرمي هي شراكة في مجال الفيزياء الفلكية وفيزياء الجسيمات يديرها جودارد. تم تطوير فيرمي بالتعاون مع وزارة الطاقة الأمريكية، وبمساهمات مهمة من المؤسسات الأكاديمية والشركاء في فرنسا وألمانيا وإيطاليا واليابان والسويد والولايات المتحدة.