Molecular and Atomic Gas Associated with the Gamma Ray Supernova Remnant RCW 103

L'universo è pieno di particelle ad alta velocità note come raggi cosmici, che bombardano costantemente la Terra. Per decenni, gli astronomi hanno sospettato che le violente esplosioni di stelle morenti, chiamate supernovae, siano le principali fabbriche che accelerano queste particelle a velocità così incredibili. Quando una stella esplode, invia un'onda d'urto che si propaga nello spazio circostante, agendo come un acceleratore di particelle naturale. Tuttavia, dimostrare esattamente quanta energia venga impiegata per creare questi raggi cosmici è stato difficile. Per capire questo, gli scienziati devono osservare il gas e la polvere che l'esplosione colpisce. Se l'onda d'urto si abbatte su dense nubi di gas, dovrebbe produrre un tipo specifico di luce ad alta energia chiamata raggi gamma. Misurando quanto gas è presente e quanto sono luminosi i raggi gamma, i ricercatori possono calcolare il budget energetico totale dell'esplosione e vedere quanto efficientemente questa si trasforma in raggi cosmici.

Un team di astronomi ha recentemente rivolto la propria attenzione a un resto di supernova relativamente giovane noto come RCW 103, situato nella nostra galassia. Questo oggetto è il guscio in espansione di gas lasciato da una stella che è esplosa circa 2.000 o 4.400 anni fa. Mentre studi precedenti avevano identificato del gas vicino al bordo di questo guscio, l'immagine completa del materiale che circonda l'esplosione rimaneva poco chiara. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno combinato i dati di diversi potenti telescopi, inclusi piatti radio in Australia e strumenti ad alta risoluzione in Cile, per mappare sia l'idrogeno atomico invisibile che il gas molecolare nascosto all'interno del resto. Si sono concentrati su un intervallo specifico di velocità del gas per garantire di osservare materiale fisicamente connesso all'esplosione, piuttosto che nubi non correlate che fluttuano in primo piano o sullo sfondo.

Le mappe risultanti hanno rivelato una connessione sorprendente tra l'esplosione e il suo ambiente. Il gas molecolare, che è composto da molecole come il monossido di carbonio, forma un guscio che corrisponde strettamente alla forma del bagliore a raggi X emesso dal materiale caldo e d'urto. Questo gas non è immobile; i dati mostrano che si sta espandendo verso l'esterno a una velocità di circa 7,5 chilometri al secondo. Questo movimento suggerisce che il gas sia stato spinto dall'ondata d'urto iniziale o forse da forti venti provenienti dalla stella prima della sua esplosione. I ricercatori hanno anche scoperto che il gas non è solo uno strato sottile all'esterno, ma si estende profondamente nell'interno del resto, riempiendo lo spazio dove è avvenuta l'esplosione. Questo è un dettaglio crucialo, poiché molti altri resti di supernova sono ritenuti avere centri svuotati dove il gas è stato spazzato via.

Utilizzando queste mappe dettagliate, il team ha calcolato la quantità totale di gas presente nella regione. Hanno scoperto che la densità di protoni — i mattoni fondamentali del gas — è estremamente alta, con una media di circa 810 particelle per centimetro cubo. Questo è centinaia di volte più denso dello spazio tipicamente vuoto tra le stelle. Con questa misurazione precisa del materiale bersaglio, potevano quindi stimare l'energia totale dei protoni dei raggi cosmici accelerati dalla supernova. Il calcolo ha fornito un valore di circa 3,0 x 10^47 erg. Sebbene questo sembri una quantità enorme di energia, è in realtà più di dieci volte inferiore a quanto visto tipicamente in altri resti di supernova luminosi nei raggi gamma della stessa età.

Questo output energetico inferiore suggerisce una storia specifica su ciò che è accaduto all'interno di RCW 103. In molti altri resti di supernova, l'onda d'urto viaggia attraverso lo spazio vuoto, permettendole di accelerare efficientemente le particelle ad alte velocità. In RCW 103, tuttavia, l'onda d'urto sembra aver incontrato un ambiente denso e pesante fin dall'inizio. I ricercatori propongono che, invece di usare la sua energia per accelerare i raggi cosmici, l'esplosione abbia impiegato una parte significativa della sua potenza per riscaldare il denso gas circostante. Questo processo di riscaldamento è visibile come i brillanti raggi X termici che dominano il centro del resto. Essenzialmente, l'esplosione potrebbe essere stata così efficace nel riscaldare il gas circostante da lasciare meno energia disponibile per creare le particelle ad alta velocità che costituiscono i raggi cosmici. Questa scoperta evidenzia come l'ambiente in cui una stella esplode giochi un ruolo critico nel determinare quanta radiazione cosmica produce, suggerendo che le regioni dense e piene di gas potrebbero essere fabbriche meno efficienti per queste particelle energetiche di quanto precedentemente pensato.