LO STUDIO SU THE ASTROPHYSICAL JOURNAL

Supernova di Tycho, shock per i raggi cosmici

L’osservazione dei resti della supernova Sn 1572, condotta con lo spettrometro GHaFaS del William Herschel Telescope, alle Canarie, mostra il meccanismo d’accelerazione dei raggi cosmici. Abbiamo intervistato uno degli autori, Giovanni Morlino del Gran Sasso Science Institute

A sinistra, immagine composita dei resti della supernova di Tycho vista da Chandra, Spitzer e Calar Alto, con evidenziata in trasparenza la porzione osservata al Wht. Al centro (evidenziata in verde) e a destra, i dati raccolti al Wht mostrano l’emissione H-alpha. Crediti: Nasa/Sao, Nasa/Jpl-Caltech

È una supernova storica, quella esplosa in Cassiopeia. Vista apparire per la prima volta in cielo – da astronomi come Tycho Brahe – nel novembre del 1572 (da cui il nome, Sn 1572, o B Cas). “Riscoperta” circa quattro secoli più tardi da radiotelescopi (1952), telescopi ottici (Mount Palomar negli anni Sessanta) e telescopi spaziali per raggi X (Chandra nel 2002), che hanno immortalato a varie lunghezze d’onda quel che ne resta. E ora nel mirino del William Herschel Telescope (Wht) di Roque de Los Muchachos, sull’isola di La Palma: con uno specchio da 4.2 metri di diametro ed equipaggiato dallo strumento GHaFaS, ha raccolto una serie di dati – pubblicati su The Astrophysical Journal – che mostrano con una chiarezza senza precedenti il meccanismo di accelerazione dei raggi cosmici che hanno origine nel resto di supernova.

Fra gli autori dello studio, guidato da Sladjana Knežević del Weizmann Institute of Science israeliano, c’è anche un astrofisico italiano, Giovanni Morlino, attualmente ricercatore al Gran Sasso Science Institute (Gssi) e associato all’Inaf di Arcetri. È a lui che ci siamo rivolti per approfondire questo risultato.

Morlino, partiamo da questo strumento dal nome impronunciabile che avete utilizzato, GHaFaS: di che si tratta?

«GHaFas è uno spettrometro di tipo Fabry-Perot ad alta risoluzione, sia spaziale che spettrale, che permette di ottenere simultaneamente moltissimi spettri di emissione dell’idrogeno da diversi punti di una sola immagine di un oggetto celeste. Fu pensato in particolare per lo studio dei moti delle galassie vicine. Infatti da una singola immagine di una galassia è possibile misurare (attraverso lo spettro delle righe alpha dell’idrogeno, appunto) con quale velocità si muove il gas nelle diverse regioni della galassia».

Giovanni Morlino, uno degli autori dello studio, attualmente ricercatore al Gran Sasso Science Institute (Gssi) e associato all’Inaf di Arcetri

GHaFaS, dunque: avete puntato il telescopio che lo ospita, il William Herschel, verso i resti della supernova di Tycho, una fra le più studiate di sempre. Cos’avete scoperto di nuovo?

«L’utilizzo di questo spettrometro per i resti di supernove è uno studio del tutto nuovo di cui siamo tra i primi promotori. Quello che abbiamo scoperto riguarda un fenomeno peculiare che avviene agli shock prodotti dall’espansione di una supernova. Infatti l’idrogeno neutro che viene attraversato da uno shock viene eccitato dal plasma caldo dietro lo shock, emettendo righe Balmer (e non solo). Lo spettro di queste righe ci dice qual è lo stato del gas, in particolare fornisce informazioni sulla temperatura sia del gas caldo situato dietro lo shock, che del gas freddo situata davanti allo shock. Quello che abbiamo scoperto è che la temperatura del gas freddo risulta troppo alta per essere compatibile con l’esistenza stessa dell’idrogeno neutro. In altre parole le righe dell’idrogeno che osserviamo non dovrebbero proprio essere presenti».

Però ci sono… qual è la vostra ipotesi?

«Questa anomalia può essere spiegata se ipotizziamo che qualche meccanismo sia in grado di riscaldare il gas davanti allo shock prima ancora che lo shock ci arrivi, e prima che l’idrogeno possa essere ionizzato. Tali proprietà sono compatibili con l’esistenza di raggi cosmici accelerati dallo shock stesso, i quali, una volta accelerati, si possono propagare lontani da esso, surriscaldando il gas freddo davanti allo shock».

I vostri risultati arrivano quasi in contemporanea con quelli di un altro studio, sempre sulla relazione fra resti di una supernova (in quel caso, Cas A) e raggi cosmici, condotto anch’esso con due telescopi che stanno a La Palma, a poche centinaia di metri da Wht: quelli di Magic. Ne abbiamo parlato tre settimane fa su Media Inaf, e a prima vista sembra che non giungiate alle stesse conclusioni. È così?

«Non proprio. Questi due studi misurano cose diverse sul meccanismo di accelerazione dei raggi cosmici, ma complementari tra loro. Lo studio su Cas A misura l’energia massima alla quale i raggi cosmici sono accelerati, misurando l’emissione gamma prodotta da queste particelle quando collidono con il gas circostante. Quello che misuriamo noi è, invece, una combinazione dell’energia massima con la quantità totale di energia convertita in raggi cosmici. In altre parole, combinando i due studi (se venissero fatti sullo stesso oggetto) si potrebbero dedurre sia l’energia massima che l’efficienza di accelerazione, due quantità fondamentali per capire se i resti di supernove siano o meno responsabili della produzione dei raggi cosmici galattici. Al momento attuale, possiamo dire che l’efficienza di accelerazione sembra essere quella necessaria, ma l’energia massima raggiunta è troppo bassa per spiegare i raggi cosmici osservati a Terra».

Differenze a parte, è un caso, questo interesse in contemporanea da parte dei telescopi sull’Isola di La Palma per i resti di supernove? 

«Nel campo dell’osservazione gamma, l’interesse per i resti di supernova è da sempre molto alto, proprio perché essi forniscono informazioni dirette sull’energia delle particelle accelerate. Tuttavia queste osservazioni sono affette dalla bassa risoluzione spaziale, che non permette di capire la struttura fine degli shock. D’altro canto, l’osservazione delle righe Balmer fornisce una risoluzione spaziale incredibilmente superiore, ma il loro uso per lo studio dei raggi cosmici è molto recente ed è iniziato solo quando recenti sviluppi teorici (dovuti in particolare al gruppo di alte energie dell’Osservatorio astrofisico di Arcetri dell’Inaf) ne hanno dimostrato le grandi potenzialità».

Ma lei c’è dovuto andare di persona, là alle Canarie, o ha fatto tutto stando al computer, lì al Gran Sasso Science Institute?

«Io personalmente non sono dovuto andare a La Palma per le osservazioni, anche perché sono un teorico e ho paura che se mettessi le mani su quella strumentazione delicata potrei rompere qualcosa…».


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