La supernova cercana carecía sorprendentemente de rayos cósmicos, lo que arroja dudas sobre las teorías

La supernova SN 2023ixf ofreció a los astrónomos una oportunidad inusual cuando explotó el año pasado. Lamentablemente, ha profundizado, en lugar de resolver, el problema de explicar los rayos cósmicos. También ha puesto en duda los modelos de supernovas, pero bueno, si tuviéramos todas las respuestas, no necesitaríamos científicos.

Actualmente detectamos miles de supernovas cada año, pero la mayoría de ellas se encuentran a miles de millones de años luz de distancia, lo que limita cuánto podemos aprender sobre ellas de forma individual. En comparación, a 21 millones de años luz de distancia, SN 2023ixf estaba justo alrededor del bloque celeste.

Esto dio a los aficionados la oportunidad de recopilar algunas imágenes impresionantes de la supernova y su galaxia anfitriona, el Molinete. Para los astrónomos profesionales, representó la mejor oportunidad de estudiar la producción de rayos gamma de una supernova desde 2008, cuando se lanzó el telescopio espacial Fermi.

«Los astrofísicos estimaron anteriormente que las supernovas convierten alrededor del 10% de su energía total en aceleración de rayos cósmicos», dijo en un comunicado el Dr. Guillem Martí-Devesa de la Universidad de Trieste. «Pero nunca hemos observado este proceso directamente».

Los rayos cósmicos son partículas cargadas (principalmente protones) que han sido aceleradas cerca de la velocidad de la luz por algún tipo de evento astronómico. Bombardean la Tierra constantemente y pueden tener efectos importantes en la atmósfera, como producir el carbono 14 que utilizamos para medir la edad de los artefactos. Sin embargo, cuando los astrónomos dicen que son producidos por eventos astronómicos, están haciendo suposiciones basadas en que no existe una explicación alternativa obvia. No sabemos qué acontecimientos los producen y en qué cantidades.

Podría parecer que esto debería ser fácil de probar: espere hasta que detectemos que está sucediendo algo dramático y luego busque los rayos. Sin embargo, hay dos problemas con esto. En primer lugar, el retraso puede ser bastante largo. Incluso si algo viaja al 99,9 por ciento de la velocidad de la luz, puede retrasar miles de años los fotones liberados al mismo tiempo si la distancia es lo suficientemente grande. En segundo lugar, los campos magnéticos, incluido el de la Tierra, desvían las trayectorias de las partículas cargadas entrantes, por lo que no podemos identificar con precisión la dirección de donde provienen.

Afortunadamente, los rayos cósmicos producen rayos gamma cuando pasan a través de algo que no es un vacío completo. Una vez formados, los rayos gamma no se desvían debido a los campos magnéticos (ni mucho más, aparte de la gravedad de masas muy grandes). Una explosión de rayos cósmicos que encontraron nubes de gas alrededor de la supernova debería haber producido rayos gamma cuya fuente podría rastrearse. Por lo tanto, SN 2023ixf brindó una excelente oportunidad para ver cuántos rayos gamma asociados pudimos encontrar.

La respuesta resultó ser ninguna, al menos nada significativamente por encima del fondo. “Fermi es el telescopio de rayos gamma más sensible en órbita, por lo que cuando no detecta una señal esperada, los científicos deben explicar la ausencia. Resolver ese misterio construirá una imagen más precisa de los orígenes de los rayos cósmicos”, dijo la Dra. Elizabeth Hays del Centro de Vuelos Espaciales Goffard de la NASA.

“Con las nuevas observaciones de SN 2023ixf, nuestros cálculos dan como resultado una conversión de energía de tan solo el 1% pocos días después de la explosión. Esto no descarta que las supernovas sean fábricas de rayos cósmicos, pero sí significa que tenemos más que aprender sobre su producción”, añadió Martí-Devesa.

Hay diferentes tipos de supernovas, por lo que el hecho de que una no parezca haber producido muchos rayos cósmicos no significa que ninguna lo haga. Para probar esto, necesitaremos más supernovas cercanas, por lo que es mejor que se haya detectado una casi a la misma distancia la semana pasada. Los autores también están considerando la posibilidad de que 2023ixf haya producido muchos rayos cósmicos, pero ellos, y los rayos gamma resultantes, fueron dirigidos lejos de nosotros. En ese caso también podrían ser útiles más temas de estudio.

Sin embargo, los hallazgos son un enigma. Las supernovas (aparte del tipo Ia) involucran estrellas gigantes que colapsan y luego rebotan, produciendo una onda de choque que debería impulsar partículas delante de ella para crear rayos cósmicos. Si 2023ixf no creó muchos, es necesario explicarlo.

Además, ha pasado más de una década desde que las observaciones de Fermi demostraron que restos de supernovas de miles de años de antigüedad todavía nos lanzan rayos cósmicos, que luego generan rayos gamma al pasar a través del material cercano desprendido antes de la explosión.

Sin embargo, la tasa de producción de estos remanentes no puede explicar todos los rayos cósmicos que vemos: o la mayoría se liberan en la propia explosión o hay alguna otra fuente ahí fuera. El 10 por ciento de la energía de las supernovas que se transforma en rayos cósmicos explicaría claramente el número y el espectro que vemos después de tener en cuenta los producidos por los remanentes. Si la cifra es del 1 por ciento, la mayor parte queda sin contabilizar. Es por eso que el hecho de que Fermi no haya detectado ninguno de 2023ixf plantea más preguntas de las que responde.

El estudio se publicará en Astronomy and Astrophysics.