NASA发现了一颗奇特超新星

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原文作者：Robert Lea

翻译：尹天任

校对：王茸 蔡贺菁

审阅：林钰然

美编：李鸣晨

后台：胡永葳

风车星系，超新星SN 2023ixf（画圈处）的位置（图片来源：Center for Astrophysics | Harvard & Smithsonian. Hiramatsu等人，2023/Sebastian Gomez (STScI))

NASA的费米伽马射线太空望远镜正在对附近的一颗超新星进行研究，目的是研究这些星球的爆炸是如何点燃被称为宇宙射线的带电粒子的。

研究小组发现，这颗被命名为SN 2023ixf的超新星完全没有伽马射线辐射，但是通常来说，当宇宙射线粒子被加速到接近光速时，应该会出现伽马射线辐射。这一发现可能会挑战我们对超新星的理解：长期以来，科学家们一直认为超新星是宇宙射线的工厂，会释放出大量的伽马射线。

SN 2023ixf是一颗 "新 "超新星（至少是我们在地球上看到的超新星），于2023年5月18日被发现。它位于Messier 101（M101）星系中，也被称为 "风车星系"，距离地球约2100万光年。SN 2023ixf 是费米望远镜自2008年开始搜索以来发现的距离地球相对较近的最亮超新星，是由一颗质量约为太阳12倍的超巨星死亡和坍缩引起的。

然而，这个重大的发现却缺少一个关键要素。这就非常奇怪了。团队成员的里雅斯特大学研究员Guillem Martí-Devesa在一份声明中说："天体物理学家之前估计，超新星将其总能量的大约10%转化为宇宙射线加速度。"但我们从未直接观测到这一过程。通过对SN 2023ixf的新观测，我们的计算结果是爆炸后几天内的能量转换率低至1%。"这并不排除超新星是宇宙射线工厂的可能性，但这确实意味着我们要学习更多关于超新星形成过程的知识要学习"。

神秘的宇宙射线工厂

每天有数以万亿的宇宙射线射入地球大气层，这些带电粒子中约有 90% 是氢原子核，其余的是自由电子或较重元素的原子核。

然而，宇宙射线的来源一直难以研究。这是因为，当这些带电粒子飞行数百万光年到达地球时，它们会遇到许多磁场，这些磁场会使它们转向。这种无休止的颠簸意味着宇宙射线的轨迹几乎无法复现。而高能光子或伽马射线不会发生这种偏转，因此可以用作宇宙射线产生的追踪器。

位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的费米项目科学家伊丽莎白-海斯在声明中说："然而，伽马射线会直接射向我们。"宇宙射线在与周围环境中的物质相互作用时会产生伽马射线。 费米望远镜是轨道上最灵敏的伽马射线望远镜，因此当它没有探测到预期的信号时，科学家必须对这种缺失做出解释。

"解开这个谜团，就能更准确地了解宇宙射线的起源。"

当质量约为太阳八倍的恒星内核核聚变所需的燃料耗尽时，就会出现超新星。这也使用于提供辐射压力以支持恒星对抗自身引力的能量外流停止了。

随着这场持续了数百万年的宇宙拉锯战的结束，引力成为明显的胜利者，恒星的核心坍缩了。然后，外层物质在超新星爆炸中向外喷射。这些被喷射出的物质会产生冲击波，从垂死的恒星中冲出，撞击周围的气体和尘埃，加速粒子的运动，并产生宇宙射线。这些冲击波可以持续长达 5 万年，在此期间会对星际物质产生影响。特别是当宇宙射线与星际气体和尘埃相互作用时，它们会产生伽马射线光子。

2013年，费米望远镜在银河系的超新星遗迹周围发现了这种现象。这一发现表明，这些超新星残骸并没有产生足够的高能粒子，无法与科学家在地球上的测量结果相匹配。其中一个原因可能是，超新星只有在发射它们的恒星坍缩后的最初几天才会加速粒子，产生能量最高的宇宙射线。

在其他望远镜首次用可见光探测到SN 2023ixf之后的几个月里，费米对这颗超新星进行了观测，这使得情况变得更加复杂。尽管费米的观测是在超新星爆炸之后进行的，但NASA的太空望远镜仍然没有看到来自SN 2023ixf的伽马射线。

对于这颗超新星为什么会产生宇宙射线而不产生伽马射线，至少费米望远镜没有探测到任何伽马射线，研究小组有几种可能的解释。一种理论认为，超新星碎片的分布和排列不均匀，伽马射线没有流向地球，所以费米望远镜无法发现它们。另一种可能是这颗超新星周围的碎片吸收了产生的伽马射线。

天文学家们现在将继续研究 SN 2023ixf 在其他波长光线下的表现，并创建计算机模型，以了解导致了它奇特的外观的潜在原因，团队成员、蒙彼利埃宇宙与粒子实验室天体物理学家马蒂厄-雷诺（Matthieu Renaud）在声明中说："不幸的是，看不到伽马射线并不意味着没有宇宙射线。"我们必须对所有有关加速机制和环境条件的基本假设进行研究，才能将伽马射线的缺失转化为宇宙射线产生的上限。

研究小组的研究成果已被接受在Astronomy and Astrophysics杂志上发表。

责任编辑：杨伯顺

牧夫新媒体编辑部

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超新星爆炸 (Image credit: Melissa Weiss/CfA)

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