Fermi NASA tidak melihat sinar gamma dari supernova di dekatnya

Pengamatan supernova SN 2023ixf pada tahun 2023 di Galaksi Pinwheel memberikan peluang unik untuk mempelajari produksi sinar kosmik, namun sinar gamma yang diharapkan tidak terdeteksi oleh teleskop Fermi milik NASA, yang menunjukkan tingkat konversi energi yang jauh lebih rendah dari yang diharapkan. Kredit: NASA

Pengamatan SN 2023ixf pada tahun 2023 memberikan hasil yang mengejutkan mengenai produksi sinar kosmik oleh supernova, dengan implikasi potensial untuk memahami asal usul sinar kosmik dan mekanisme percepatannya.

Pada tahun 2023, supernova di dekatnya memberi para astrofisikawan peluang bagus untuk menguji gagasan tentang bagaimana jenis ledakan ini mendorong partikel, yang disebut sinar kosmik, hingga kecepatan mendekati cahaya. Namun yang mengejutkan, Teleskop Luar Angkasa Sinar Gamma Fermi milik NASA tidak mendeteksi satu pun cahaya sinar gamma berenergi tinggi yang seharusnya dihasilkan oleh partikel-partikel tersebut.

Pada tanggal 18 Mei 2023, sebuah supernova meletus di dekat Galaksi Pinwheel (Messier 101), yang terletak sekitar 22 juta tahun cahaya di konstelasi Ursa Major. Peristiwa yang disebut SN 2023ixf ini merupakan supernova terdekat paling terang yang ditemukan sejak peluncuran Fermi pada tahun 2008.

Hasil tak terduga dari teleskop Fermi

“Para ahli astrofisika sebelumnya memperkirakan bahwa supernova mengubah sekitar 10% dari total energinya menjadi sinar kosmik yang dipercepat,” kata Guillem Martí Devesa, peneliti di Universitas Trieste di Italia. “Tetapi kami belum pernah mengamati proses ini secara langsung. Dengan pengamatan baru SN 2023ixf, perhitungan kami telah menghasilkan konversi energi serendah 1% dalam beberapa hari setelah ledakan. Hal ini tidak menutup kemungkinan supernova sebagai pabrik sinar kosmik, tapi itu berarti kita harus belajar lebih banyak tentang produksinya.

Makalah ini, yang dilakukan oleh Martti Devesa saat berada di Universitas Innsbruck di Austria, akan muncul di jurnal edisi mendatang. Astronomi dan astrofisika.

Bahkan ketika sinar gamma tidak terdeteksi, NASATeleskop Luar Angkasa Sinar Gamma Fermi membantu para astronom mempelajari lebih lanjut tentang alam semesta. Sumber: Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA

Sinar kosmik dan asal usulnya

Triliunan demi triliunan sinar kosmik bertabrakan dengan atmosfer bumi setiap hari. Sekitar 90% di antaranya adalah inti hidrogen – atau proton – dan sisanya adalah elektron atau inti unsur yang lebih berat.

Para ilmuwan telah mempelajari asal usul sinar kosmik sejak awal tahun 1900an, namun partikel tersebut tidak dapat ditelusuri kembali ke sumbernya. Karena bermuatan listrik, sinar kosmik mengubah jalurnya saat bergerak ke Bumi berkat medan magnet yang ditemuinya.

“Sinar gamma merambat langsung ke kita,” kata Elizabeth Hayes, ilmuwan proyek Fermi di Pusat Penerbangan Luar Angkasa Goddard NASA di Greenbelt, Maryland. “Sinar kosmik menghasilkan sinar gamma ketika berinteraksi dengan materi di lingkungannya. Fermi adalah teleskop sinar gamma paling sensitif di orbit, jadi ketika tidak mendeteksi sinyal yang diharapkan, para ilmuwan harus menjelaskan ketidakhadirannya gambaran yang lebih akurat tentang asal usul sinar kosmik.

Teleskop 48 inci milik Observatorium Fred Lawrence Whipple menangkap gambar cahaya tampak Galaksi Pinwheel (Messier 101) pada Juni 2023. Lokasi supernova 2023ixf dilingkari. Observatorium, yang terletak di Gunung Hopkins di Arizona, dioperasikan oleh Pusat Astrofisika Harvard-Smithsonian. Kredit: Hiramatsu dkk. 2023/Sebastian Gomez (STScI)

Supernova sebagai akselerator sinar kosmik

Para ahli astrofisika telah lama menduga bahwa supernova adalah penyumbang sinar kosmik terbesar.

Ledakan ini terjadi ketika sebuah bintang dengan massa setidaknya delapan kali massa Matahari kehabisan bahan bakar. Inti tersebut runtuh dan kemudian memantul kembali, mendorong gelombang kejut keluar melalui bintang. Gelombang kejut mempercepat partikel, menciptakan sinar kosmik. Ketika sinar kosmik bertabrakan dengan materi dan cahaya lain di sekitar bintang, sinar tersebut menghasilkan sinar gamma.

Supernova sangat mempengaruhi lingkungan antarbintang di galaksi. Gelombang ledakan dan awan puing yang meluas mungkin berlangsung selama lebih dari 50.000 tahun. Pada tahun 2013, pengukuran Fermi menunjukkan sisa-sisa supernova ada di planet kita Bima Sakti Galaksi-galaksi tersebut mempercepat sinar kosmik, yang menghasilkan cahaya sinar gamma ketika bertabrakan dengan materi antarbintang. Namun para astronom mengatakan sisa-sisa tersebut tidak menghasilkan cukup partikel berenergi tinggi untuk menyamai pengukuran para ilmuwan di Bumi.

Sebuah teori menyatakan bahwa supernova dapat mempercepat sinar kosmik paling energik di galaksi kita dalam beberapa hari dan minggu pertama setelah ledakan awal.

Namun supernova jarang terjadi, hanya terjadi beberapa kali setiap abad di galaksi seperti Bima Sakti. Sekitar 32 juta tahun cahaya jauhnya, supernova rata-rata hanya terjadi setahun sekali.

Setelah satu bulan pengamatan, dimulai dengan penampakan pertama SN 2023ixf dengan teleskop cahaya tampak, Fermi tidak dapat mendeteksi sinar gamma.

Tantangan dan penelitian masa depan

“Sayangnya, tidak melihat sinar gamma bukan berarti tidak ada sinar kosmik,” kata rekan penulis Mathieu Renaud, ahli astrofisika di Laboratorium Alam Semesta dan Partikel Montpellier, bagian dari Pusat Penelitian Ilmiah Nasional di Prancis. “Kita harus merevisi semua hipotesis mendasar mengenai mekanisme percepatan dan kondisi lingkungan untuk mengubah ketiadaan sinar gamma menjadi batas atas produksi sinar kosmik.”

Para peneliti menyarankan beberapa skenario yang mungkin mempengaruhi kemampuan Fermi untuk melihat sinar gamma dari peristiwa tersebut, seperti cara ledakan menyebarkan puing-puing dan kepadatan material di sekitar bintang.

Pengamatan Fermi memberikan kesempatan pertama untuk mempelajari kondisi segera setelah ledakan supernova. Pengamatan tambahan SN 2023ixf pada panjang gelombang lain, simulasi dan model baru berdasarkan peristiwa ini, dan studi supernova muda lainnya di masa depan akan membantu para astronom menemukan sumber misterius sinar kosmik di alam semesta.

Fermi adalah kemitraan astrofisika dan fisika partikel yang dikelola oleh Goddard. Fermi dikembangkan bekerja sama dengan Departemen Energi AS, dan dengan kontribusi penting dari lembaga akademis dan mitra di Perancis, Jerman, Italia, Jepang, Swedia, dan Amerika Serikat.