对2023年SN 2023ixf的观测得出了有关超新星产生宇宙射线的惊人发现，这对了解宇宙射线的起源和加速机制具有潜在影响。2023年，附近的一颗超新星为天体物理学家提供了一个绝佳的机会，来检验关于这类爆炸如何将被称为宇宙射线的粒子提升到接近光速的想法。但令人惊讶的是，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜没有探测到这些粒子应该产生的高能伽马射线光。
2023 年对风车星系中的超新星 SN 2023ixf 的观测为研究宇宙射线的产生提供了一个独特的机会，但是 NASA 的费米望远镜并没有探测到预期的伽马射线，这表明能量转换率比预期的要低得多。资料来源：美国国家航空航天局
2023年5月18日，一颗超新星在附近的风车星系（Messier 101）爆发，它位于大约2200万光年外的大熊座。这颗超新星被命名为SN 2023ixf，是自2008年费米探测器发射以来发现的附近最亮的超新星。
意大利里雅斯特大学研究员吉列姆-马蒂-德韦萨说："天体物理学家以前估计，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还有更多关于超新星产生的知识要学习。"
这篇论文由马丁-德维萨在奥地利因斯布鲁克大学（University of Innsbruck）期间发表，将刊登在未来出版的《天文学与天体物理学》（Astronomy and Astrophysics）杂志上。
即使没有探测到伽马射线，美国宇航局的费米伽马射线太空望远镜也能帮助天文学家了解更多有关宇宙的信息。资料来源：美国宇航局戈达德太空飞行中心
宇宙射线及其起源
每天，数以万亿计的宇宙射线与地球大气层发生碰撞。其中大约 90% 是氢原子核（或质子），其余的是电子或较重元素的原子核。
自 20 世纪初以来，科学家们一直在研究宇宙射线的起源，但这些粒子无法追溯到它们的源头。由于宇宙射线带电，它们在飞往地球的途中会因遇到磁场而改变方向。
位于马里兰州格林贝尔特的美国宇航局戈达德太空飞行中心的费米项目科学家伊丽莎白-海斯说："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。"
弗雷德-劳伦斯-惠普尔天文台（Fred Lawrence Whipple Observatory）的48英寸望远镜在2023年6月捕捉到了这张风车星系（Messier 101）的可见光图像。超新星2023ixf的位置被圈了起来。天文台位于亚利桑那州的霍普金斯山上，由哈佛天体物理学中心和史密森尼天文台共同运营。资料来源：平松等人，2023/Sebastian Gomez (STScI)
作为宇宙射线加速器的超新星
长期以来，天体物理学家一直怀疑超新星是宇宙射线的主要贡献者。当一颗质量至少是太阳 8 倍的恒星耗尽燃料时，就会发生这种爆炸。内核坍缩，然后反弹，推动冲击波向外穿过恒星。冲击波加速粒子，产生宇宙射线。当宇宙射线与恒星周围的其他物质和光线碰撞时，就会产生伽马射线。
超新星会极大地影响星系的星际环境。它们的爆炸波和不断膨胀的碎片云可能会持续存在 5 万年以上。2013年，费米测量显示，银河系中的超新星残骸正在加速宇宙射线，当它们撞击星际物质时，会产生伽马射线光。但天文学家说，这些残余物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。
一种理论认为，超新星可能会在最初爆炸后的几天或几周内加速银河系中能量最高的宇宙射线。
但是超新星非常罕见，在银河系这样的星系中，一个世纪才会发生几次。在大约3200万光年的距离内，超新星平均每年只发生一次。
从可见光望远镜第一次看到 SN 2023ixf 开始，经过一个月的观测，费米没有探测到伽马射线。
挑战与未来研究
合著者、法国国家科学研究中心下属蒙彼利埃宇宙与粒子实验室的天体物理学家马蒂厄-雷诺（Matthieu Renaud）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。"
研究人员提出了几种可能影响费米观测到该事件产生的伽马射线的情况，比如爆炸碎片的分布方式和恒星周围物质的密度。
费米的观测首次为研究超新星爆炸后的状况提供了机会。以其他波长对SN 2023ixf进行的更多观测、基于这一事件的新模拟和模型，以及未来对其他年轻超新星的研究，都将帮助天文学家找到宇宙宇宙射线的神秘来源。
费米是戈达德管理的一个天体物理学和粒子物理学合作项目。费米项目是与美国能源部合作开发的，法国、德国、意大利、日本、瑞典和美国的学术机构和合作伙伴也做出了重要贡献。
编译来源：ScitechDaily