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

Het universum is gevuld met hoogenergetische deeltjes die bekend staan als kosmische straling, die de aarde constant bestoken. Al decennia lang vermoeden astronomen dat de gewelddadige explosies van stervende sterren, genaamd supernova's, de primaire fabrieken zijn die deze deeltjes naar dergelijke ongelooflijke snelheden versnellen. Wanneer een ster explodeert, stuurt het een schokgolf door de omliggende ruimte, die werkt als een natuurlijke deeltjesversneller. Het is echter moeilijk gebleken om te bewijzen hoeveel energie er precies in de creatie van deze kosmische straling gaat. Om dit te begrijpen, moeten wetenschappers kijken naar het gas en stof waar de explosie tegenaan botst. Als de schokgolf tegen dichte gaswolken botst, zou dit een specifiek type hoogenergetisch licht produceren, genaamd gammastraling. Door te meten hoeveel gas aanwezig is en hoe helder de gammastraling is, kunnen onderzoekers het totale energiebudget van de explosie berekenen en zien hoe efficiënt deze wordt omgezet in kosmische straling.

Een team van astronomen richtte onlangs zijn aandacht op een relatief jonge supernova-overblijfsel bekend als RCW 103, gelegen in ons eigen sterrenstelsel. Dit object is de expanderende gasmantel die is achtergebleven door een ster die ongeveer 2.000 tot 4.400 jaar geleden explodeerde. Hoewel eerdere studies enig gas nabij de rand van deze mantel hadden geïdentificeerd, bleef het volledige beeld van het materiaal rondom de explosie onduidelijk. Om dit op te lossen, combineerden de onderzoekers gegevens van verschillende krachtige telescopen, waaronder radioschotels in Australië en precisie-instrumenten in Chili, om zowel het onzichtbare atomaire waterstof als het verborgen moleculaire gas binnen het overblijfsel in kaart te brengen. Ze concentreerden zich op een specifiek bereik van de snelheid van het gas om er zeker van te zijn dat ze naar materiaal keken dat fysiek verbonden was met de explosie, in plaats van aan elkaar gerelateerde wolken die op de voorgrond of achtergrond voorbij zweefden.

De resulterende kaarten toonden een opvallende connectie tussen de explosie en haar omgeving. Het moleculaire gas, dat bestaat uit moleculen zoals koolmonoxide, vormt een schil die nauw overeenkomt met de vorm van de röntgenstraling uitgezonden door het hete, geschokte materiaal. Dit gas staat niet stil; de gegevens laten zien dat het naar buiten expandeert met een snelheid van ongeveer 7,5 kilometer per seconde. Deze beweging suggereert dat het gas werd weggeduwd door de initiële schokgolf of misschien door sterke winden van de ster voordat deze explodeerde. De onderzoekers ontdekten ook dat het gas niet slechts een dunne laag aan de buitenkant is, maar diep in het binnenste van het overblijfsel doorloopt, waardoor de ruimte vult waar de explosie heeft plaatsgevonden. Dit is een cruciaal detail, aangezien veel andere supernova-overblijfselen een hol centrum lijken te hebben waar het gas is weggeveegd.

Met behulp van deze gedetailleerde kaarten berekende het team de totale hoeveelheid gas in de regio. Ze vonden dat de dichtheid van protonen — de bouwstenen van het gas — extreem hoog is, met een gemiddelde van ongeveer 810 deeltjes per kubieke centimeter. Dit is honderden keren dichter dan de typische lege ruimte tussen sterren. Met deze nauwkeurige meting van het doelmateriaal konden ze vervolgens de totale energie van de kosmische-straalprotonen die door de supernova worden versneld, schatten. De berekening leverde een waarde op van ongeveer 3,0 maal 10 tot de macht 47 erg. Hoewel dit als een enorme hoeveelheid energie klinkt, is het in werkelijkheid meer dan tien keer kleiner dan wat gewoonlijk wordt gezien bij andere gamma-heldere supernova-overblijfselen van een vergelijkbare leeftijd.

Deze lagere energieopbrengst suggereert een specifiek verhaal over wat er in RCW 103 is gebeurd. In veel andere supernova-overblijfselen reist de schokgolf door de lege ruimte, waardoor deze efficiënt deeltjes naar hoge snelheden kan versnellen. In RCW 103 lijkt de schokgolf echter direct vanaf het begin een dikke, dichte omgeving tegengekomen te zijn. De onderzoekers stellen voor dat de explosie, in plaats van haar energie te gebruiken om kosmische straling te versnellen, een aanzienlijk deel van haar kracht gebruikte om het dichte gas eromheen te verhitten. Dit verhittingsproces is zichtbaar als de heldere thermische röntgenstraling die het centrum van het overblijfsel domineert. In essentie kan de explosie zo effectief zijn geweest in het opwarmen van het omringende gas, dat er minder energie beschikbaar bleef om de hooggesnelde deeltjes te creëren die kosmische straling vormen. Deze bevinding benadrukt dat de omgeving waarin een ster explodeert een cruciale rol speelt bij het bepalen van hoeveel kosmische straling zij produceert, wat suggereert dat dichte, gasrijke regio's minder efficiënte fabrieken voor deze energetische deeltjes kunnen zijn dan voorheen gedacht.