對2023年SN 2023ixf的觀測得出了有關超新星產生宇宙射線的驚人發現，這對了解宇宙射線的起源和加速機制具有潛在影響。 2023年，附近的一顆超新星為天體物理學家提供了一個絕佳的機會，來檢驗關於這類爆炸如何將被稱為宇宙射線的粒子提升到接近光速的想法。但令人驚訝的是，美國太空總署的費米伽馬射線太空望遠鏡並沒有偵測到這些粒子應該產生的高能量伽瑪射線光。

2023 年對風車星系中的超新星SN 2023ixf 的觀測為研究宇宙射線的產生提供了一個獨特的機會，但是NASA 的費米望遠鏡並沒有探測到預期的伽馬射線，這表明能量轉換率比預期的要低得多。資料來源：美國國家航空暨太空總署

2023年5月18日，一顆超新星在附近的風車星系（Messier 101）爆發，它位於大約2200萬光年外的大熊座。這顆超新星被命名為SN 2023ixf，是自2008年費米探測器發射以來發現的附近最亮的超新星。

義大利里雅斯特大學研究員吉列姆-馬蒂-德韋薩說：”天文物理學家以前估計，超新星將其總能量的大約10%轉化為宇宙射線加速度。但我們從未直接觀測到這一過程。有更多關於超新星產生的知識要學習。

這篇論文由馬丁-德維薩在奧地利因斯布魯克大學（University of Innsbruck）期間發表，將刊登在未來出版的《天文學與天體物理學》（Astronomy and Astrophysics）雜誌上。

即使沒有偵測到伽瑪射線，美國太空總署的費米伽馬射線太空望遠鏡也能幫助天文學家了解更多宇宙的資訊。資料來源：美國太空總署戈達德太空飛行中心

宇宙射線及其起源

每天，數以兆計的宇宙射線與地球大氣層發生碰撞。其中約90% 是氫原子核（或質子），其餘的則是電子或較重元素的原子核。

自20 世紀初以來，科學家一直在研究宇宙射線的起源，但這些粒子無法追溯到它們的源頭。由於宇宙射線帶電，它們在飛往地球的途中會因遇到磁場而改變方向。

位於馬裡蘭州格林貝爾特的美國宇航局戈達德太空飛行中心的費米項目科學家伊麗莎白-海斯說：”然而，伽馬射線會直接射向我們。宇宙射線在與周圍環境中的物質相互作用時會產生伽馬射線。準確地了解宇宙射線的起源。

弗雷德-勞倫斯-惠普爾天文台（Fred Lawrence Whipple Observatory）的48吋望遠鏡在2023年6月捕捉到了這張風車星系（Messier 101）的可見光影像。超新星2023ixf的位置被圈起來了。天文台位於亞利桑那州的霍普金斯山上，由哈佛天文物理學中心和史密森尼天文台共同營運。資料來源：平松等人，2023/Sebastian Gomez (STScI)

作為宇宙射線加速器的超新星

長期以來，天文物理學家一直懷疑超新星是宇宙射線的主要貢獻者。當一顆質量至少是太陽8 倍的恆星耗盡燃料時，就會發生這種爆炸。內核坍縮，然後反彈，推動衝擊波向外穿過恆星。衝擊波加速粒子，產生宇宙射線。當宇宙射線與恆星周圍的其他物質和光線碰撞時，就會產生伽馬射線。

超新星會大大影響星系的星際環境。它們的爆炸波和不斷膨脹的碎片雲可能會持續存在5 萬年以上。 2013年，費米測量顯示，銀河系中的超新星殘骸正在加速宇宙射線，當它們撞擊星際物質時，會產生伽馬射線光。但天文學家說，這些殘餘物並沒有產生足夠的高能量粒子，無法與科學家在地球上的測量結果相符。

一種理論認為，超新星可能會在最初爆炸後的幾天或幾週內加速銀河系中能量最高的宇宙射線。

但是超新星非常罕見，在銀河系這樣的星系中，一個世紀才會發生幾次。在大約3200萬光年的距離內，超新星平均每年只發生一次。

從可見光望遠鏡第一次看到SN 2023ixf 開始，經過一個月的觀測，費米沒有偵測到伽瑪射線。

挑戰與未來研究

合著者、法國國家科學研究中心下屬蒙彼利埃宇宙與粒子實驗室的天文物理學家馬蒂厄-雷諾（Matthieu Renaud）說：”不幸的是，看不到伽馬射線並不意味著沒有宇宙射線。

研究人員提出了幾種可能影響費米觀測到該事件產生的伽馬射線的情況，例如爆炸碎片的分佈方式和恆星周圍物質的密度。

費米的觀測首次為研究超新星爆炸後的狀況提供了機會。以其他波長對SN 2023ixf進行的更多觀測、基於這一事件的新模擬和模型，以及未來對其他年輕超新星的研究，都將幫助天文學家找到宇宙宇宙射線的神秘來源。

費米是戈達德管理的一個天文物理學和粒子物理學合作計畫。費米計畫是與美國能源部合作開發的，法國、德國、義大利、日本、瑞典和美國的學術機構和合作夥伴也做出了重要貢獻。

編譯來源：ScitechDaily