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Nebulosa del Granchio: ciò che resta di una supernova. Questa nebulosa potrebbe ospitare un pevatron. Crab Nebula |
Pevatron: misteriosi acceleratori cosmici
Care ragazze e cari ragazzi è tempo di parlare di oggetti misteriosi che popolano il nostro Universo, perché sono affascinanti e perché è questo il momento
di appassionarvi all'astrofisica. Dal 14 settembre 2015, quando per la prima volta sono state rilevate onde gravitazionali, le "increspature" dello spazio-tempo di Einstein,
(leggi anche Astronomia multimessaggero), l'astronomia
è entrata in una nuova fase. Uno stesso evento cosmico può essere "visto" e studiato mediante molti messaggeri diversi.
L'osservazione di radiazioni, particelle, onde gravitazionali emesse durante un evento astronomico permette di studiare aspetti diversi e complementari dello stesso
fenomeno. Ci sono dei messaggeri che arrivano sul nostro pianeta, chiamati
raggi cosmici, che ultimamente hanno suscitato molto interesse. Cosa sono i raggi cosmici e perché l'interesse nei loro confronti è aumentato?
Nel 1912, il fisico austriaco Victor Hess scoprì i raggi cosmici e per questo motivo fu insignito del premio Nobel per la fisica nel 1936. All'inizio del '900 si sapeva
già che nell'atmosfera terrestre c'erano molte particelle cariche, elettroni e ioni positivi. Hess, grazie a una mongolfiera, salì oltre i 5000 m di quota e scoprì
che il livello di ionizzazione dell'aria alla quota massima raggiunta era 15 volte supeirore a quello del suolo. Radiazioni altamente energetiche dovevano venire dallo spazio: erano
i raggi cosmici.
Ora si sa che i raggi cosmici sono prevalentemente costituiti da protoni (90%), in proporzione minore da nuclei atomici ionizzati e una minima parte da elettroni.
Tra i raggi cosmici che arrivano sulla Terra, ce ne sono alcuni particolarmente energetici. Sono questi che hanno attirato l'attenzione degli astrofisici.
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Nebulosa del Granchio: ciò che resta di una supernova. Questa nebulosa potrebbe ospitare un pevatron. Crab Nebula |
L'energia posseduta dalle particelle subatomiche viene misurata in elettronvolt (eV), che corrisponde all'energia guadagnata (o persa) da un singolo elettrone che si muove nel
vuoto tra due punti tra i quali vi è una differenza di potenziale di 1 volt (Fonte: Wikipedia), 1 eV è circa uguale a 1,6 x 10-19 J. Esistono dei raggi
cosmici che hanno un'energia che può raggiungere e superare il petaelettronvolt (un milione di miliardi di elettronvolt). Si tratta di un'energia che è 100 volte
superiore a quella raggiunta nelle collisioni tra protoni nell'esperimento LHC (Large Hadron Collider) del CERN
(Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire) di Ginevra.
Qual è, dunque, l'origine di questi raggi cosmici così energetici? Le ipotetiche sorgenti astronomiche sono state chiamate "pevatron", dal nome dell'acceleratore di
particelle del Fermilab di Chicago, il Tevatron, e dal prefisso peta (1015). Come si fa a capire da dove vengono?
I raggi cosmici sono, come abbiamo visto, particelle cariche elettricamente. Durante il loro viaggio dalla fonte che li ha originati alla Terra, interagiscono con altre particelle e campi
elettromagnetici per via della loro carica elettrica. Possono così cambiare la loro traiettoria e la loro energia, complicando di molto la possibilità di indentificare la
loro fonte. Tuttavia, quando i raggi cosmici interagiscono con la materia interstellare possono produrre raggi gamma e neutrini. I raggi gamma
conservano circa un decimo dell'energia del raggio cosmico che li ha originati, ma non sono carichi e si muovono in linea retta dalla sorgente allo strumento che potenzialmente
li rileverà sulla Terra. Anche i neutrini sono neutri e non interagiscono con particelle cariche e campi elettromagnetici. Se si osservano raggi gamma con energia pari o superiore
a 0,1 petaelettronvolt, allora, è molto probabile che questi siano stati originati da un pevatron, i misteriosi acceleratori cosmici.
È stato identificato qualche pevatron? Sì! Vediamo come e dove.
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Flusso di raggi cosmici verso la Terra PeVatrons: The Hunt for the Origin of Galactic Cosmic Rays with CTA |
Per catturare raggi gamma, ovvero fotoni ad altissima energia, provenienti da sorgenti pevatron si usano i telescopi Čerenkov. I fotoni, interagendo con l'atmosfera terrestre, producono uno sciame di particelle che generano la cosiddetta luce Čerenkov, una luce blu che viene emessa quando un raggio molto energetico attraversa un mezzo con una velocità superiore a quella della luce nel mezzo stesso. I raggi gamma provenienti da sorgenti pevatron fanno proprio questo. Il primo pevatron è stato osservato nel 2016 dall'esperimento HESS (High Energy Stereoscopic System), i cui telescopi si trovano in Namibia. L'esperimento ha fornito il primo indizio di radiazioni gamma da 0,1 petaelettronvolt provenienti dal centro della nostra galassia, dove si trova il buco nero supermassiccio Sagittarius A* (un buco nero da 4 milioni di masse solari). Nel maggio del 2021 è stato pubblicato un articolo su Nature che ha descritto l'osservazione di 530 fotoni di energia superiore a 0,1 petaelettonvolt e per uno di questi il valore era di 1,4 petaelettronvolt, un record. Si tratta dell'energia più alta mai osservata per un fotone. L'esperimento, diretto da scienziati cinesi, è denominato LHAASO (Large High Altitude Air Shower Observatory). La sorgente di questo pevatron sembra essere localizzata nella nebulosa del Granchio. Molti esprimenti in corso sono, invece, concentrati sull'osservazione di neutrini. Se si riuscisse a osservare raggi gamma e neutrini provenienti dalla stessa sorgente pevatron si aprirebbero, molto probabilmente, nuove prospettive per l'identificazione di questi oggetti ancora misteriosi. Infatti, la provenienza dei raggi cosmici altamente energetici non è affatto chiara. Buchi neri supermassicci, resti di esplosioni di supernove, pulsar, sono possibili sorgenti di raggi cosmici ad alta energia. Tuttavia, ad eccezione della nebuolosa del Granchio, non abbiamo ancora identificato altre sorgenti pevatron. Gli astrofisici sono sicuri che imparando a identificarle potremmo capire molto di più di questi raggi cosmici ad altissima energia. Sarà uno di voi a scoprire la prossima sorgente pevatron?
ReferenzeManuela Casasoli (manuela_casasoli@yahoo.it) - Pubblicato il 19 aprile 2022