Uma supernova próxima, em 2023, forneceu aos astrofísicos uma excelente oportunidade para testar ideias sobre a forma como este tipo de explosões impulsiona partículas, designadas por raios cósmicos, até perto da velocidade da luz.
© STScI (supernova SN 2023ixf na galáxia M101)
O telescópio de 48 polegadas do Observatório Fred Lawrence Whipple captou esta imagem, no visível, da galáxia Messier 101 em junho de 2023. A localização da supernova 2023ixf está assinalada com um círculo. O observatório, situado no Monte Hopkins, no estado norte-americano do Arizona, é operado pelo Centro de Astrofísica do Harvard & Smithsonian.
Mas, surpreendentemente, o telescópio espacial de raios gama Fermi da NASA não detectou os raios gama altamente energéticos que os raios cósmicos deveriam produzir.
No dia 18 de maio de 2023 apareceu uma supernova na vizinha galáxia do Cata-vento (Messier 101), situada a cerca de 22 milhões de anos-luz de distância na direção da constelação da Ursa Maior. Designada SN 2023ixf, é a supernova mais luminosa descoberta nas proximidades da Via Láctea desde o lançamento do Fermi em 2008.
Estima-se que as supernovas convertem cerca de 10% da sua energia total na aceleração de raios cósmicos. Mas nunca foi observado este processo diretamente. Com as novas observações de SN 2023ixf, os nossos cálculos resultam numa conversão de energia tão baixa quanto 1% poucos dias após a explosão. Isto não exclui a possibilidade de as supernovas serem fábricas de raios cósmicos, mas significa que há necessidade de aprendermos sobre a sua produção.
Todos os dias, trilhões de raios cósmicos colidem com a atmosfera da Terra. Cerca de 90% são núcleos de hidrogênio (prótons) e os restantes são elétrons ou núcleos de elementos mais pesados. Os cientistas têm vindo a investigar as origens dos raios cósmicos desde o início do século XX, mas não é possível identificar as suas fontes. Como são eletricamente carregados, os raios cósmicos mudam de rumo quando chegam à Terra, graças aos campos magnéticos que encontram. Os raios cósmicos produzem raios gama quando interagem com a matéria no seu ambiente.
O Fermi é o telescópio de raios gama mais sensível em órbita, por isso, quando não detecta um sinal esperado, os cientistas têm de explicar a sua ausência. A resolução deste mistério permitirá construir uma imagem mais exata das origens dos raios cósmicos.
Os astrofísicos há muito que suspeitam que as supernovas são as principais contribuintes dos raios cósmicos. Estas explosões ocorrem quando uma estrela com pelo menos oito vezes a massa do Sol fica sem combustível. O núcleo colapsa e depois recupera, impulsionando uma onda de choque para o exterior através da estrela. A onda de choque acelera as partículas, criando os raios cósmicos. Quando os raios cósmicos colidem com outra matéria e com a luz que rodeia a estrela, geram raios gama.
As supernovas têm um grande impacto no ambiente interestelar de uma galáxia. As suas ondas de explosão e a nuvem de detritos em expansão podem persistir durante mais de 50.000 anos. Em 2013, as medições do Fermi mostraram que os remanescentes de supernova na nossa Galáxia, a Via Láctea, estavam acelerando os raios cósmicos, que geravam raios gama quando atingiam a matéria interestelar.
Mas os astrônomos dizem que os remanescentes não estão produzindo partículas altamente energéticas suficientes para corresponder às medições dos cientistas na Terra. Uma teoria propõe que as supernovas podem acelerar os raios cósmicos mais energéticos da nossa Galáxia nos primeiros dias e semanas após a explosão inicial. Mas as supernovas são raras, ocorrendo apenas algumas vezes por século numa galáxia como a Via Láctea. Até distâncias de cerca de 32 milhões de anos-luz, uma supernova ocorre, em média, apenas uma vez por ano.
Após um mês de observações, a partir do momento em que os telescópios ópticos viram pela primeira vez SN 2023ixf, o Fermi não tinha detectado raios gama. Têm que ser analisadas todas as hipóteses subjacentes aos mecanismos de aceleração e às condições ambientais para converter a ausência de raios gama num limite superior para a produção de raios cósmicos. Os pesquisadores propõem alguns cenários que podem ter afetado a capacidade do Fermi para ver raios gama do evento, como por exemplo a forma como a explosão distribuiu os detritos e a densidade do material em torno da estrela. As observações do Fermi constituem a primeira oportunidade para estudar as condições imediatamente após a explosão de supernova.
Observações adicionais de SN 2023ixf em outros comprimentos de onda, novas simulações e modelos baseados neste acontecimento e estudos futuros de outras supernovas jovens ajudarão na descoberta das misteriosas fontes de raios cósmicos do Universo.
Um artigo foi publicado no periódico Astronomy & Astrophysics.
Fonte: NASA
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