UN NUOVO ACCELERATORE DI PARTICELLE COSMICHE

Eta Carinae spara raggi gamma fino a 400 GeV

Un gruppo di ricercatori guidato dal Desy, grazie alle osservazioni di Hess, un sistema di quattro telescopi a effetto Cherenkov in Namibia, ha dimostrato come la stella binaria Eta Carinae sia un nuovo tipo di sorgente di radiazione gamma ad altissima energia, fino a 100 miliardi di volte più alta dell'energia della luce visibile, generata dalla collisione di venti stellari. Tutti i dettagli su A&A

     06/07/2020
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Nella regione dello shock in cui i venti stellari supersonici delle due stelle si scontrano, le particelle subatomiche sono accelerate a tal punto da produrre radiazioni gamma ad altissima energia. Crediti: Desy, Science Communication Lab

Un gruppo di ricercatori guidato dal Desy (Deutsches Elektronen-Synchrotron) – un centro nazionale di ricerca scientifica sulla fisica nucleare in Germania) – servendosi di Hess (High Energy Stereoscopic System) – un sistema di 4 telescopi a effetto Cherenkov per lo studio dei raggi gamma tra 100 GeV e 100 TeV, in Namibia – ha dimostrato come un certo tipo di stella binaria sia un nuovo tipo di sorgente di radiazione gamma ad altissima energia. Il team ha presentato le sue scoperte su Astronomy & Astrophysics.

La sorgente in questione è Eta Carinae, che si trova a 7500 anni luce di distanza dalla Terra, nella costellazione della Carena. Sulla base dei dati raccolti, emette raggi gamma con energie fino a 400 gigaelectronvolt (GeV), circa 100 miliardi di volte più alta dell’energia della luce visibile.

Eta Carinae è un sistema binario costituito da due giganti blu, con un massa rispettivamente di circa 100 e 30 volte la massa del Sole. Le due stelle orbitano l’una attorno all’altra in 5.5 anni, lungo orbite ellittiche molto eccentriche. La separazione tra le due stelle varia approssimativamente tra la distanza di Marte dal Sole (1.5 unità astronomiche) e quella di Urano (19 unità astronomiche) . Entrambe queste stelle soffiano nello spazio densi venti stellari supersonici di particelle cariche. Nel processo, la più grande delle due perde una massa equivalente a quella del Sole in soli 5000 anni. La più piccola produce un forte vento stellare che viaggia a velocità di circa undici milioni di chilometri orari (circa l’uno percento della velocità della luce).

Nella regione in cui questi venti stellari si scontrano, si forma un enorme fronte d’urto, che riscalda il materiale presente nel vento a temperature estremamente elevate. A circa 50 milioni di gradi Celsius, questa materia irradia raggi X. Le particelle nel vento stellare quindi non sono abbastanza calde per emettere radiazione gamma. «Tuttavia, le regioni di shock come queste sono in genere siti in cui le particelle subatomiche sono accelerate da forti campi elettromagnetici», spiega Stefan Ohm, a capo del gruppo Hess al Desy. Quando le particelle vengono accelerate così rapidamente, possono emettere anche radiazione gamma. Infatti, nel 2009 i satelliti Fermi della Nasa e Agile dell’Asi avevano già rilevato raggi gamma ad alta energia fino a circa 10 GeV provenienti da Eta Carinae.

«Sono stati proposti diversi modelli per spiegare come venga prodotta questa radiazione gamma», riferisce Matthias Füßling. «Potrebbe essere generata da elettroni accelerati o da nuclei atomici ad alta energia». Determinare quale di questi due scenari sia quello giusto è fondamentale: i nuclei atomici molto energici rappresentano la maggior parte dei cosiddetti raggi cosmici, una grandinata subatomica che colpisce la Terra costantemente, da tutte le direzioni. Nonostante le intense ricerche che si stanno protraendo da oltre 100 anni, non conosciamo ancora completamente le sorgenti di raggi cosmici. Questo principalmente perché i nuclei atomici carichi elettricamente, mentre viaggiano attraverso l’universo, vengono deviati dai campi magnetici, e quindi la direzione da cui arrivano sulla Terra non è più indicativa della loro origine. I raggi gamma, invece, non vengono deviati. Quindi, se si riuscisse a dimostrare che i raggi gamma emessi da una certa sorgente provengono da nuclei atomici ad alta energia, avremmo identificato uno degli acceleratori di particelle cosmiche a lungo cercati.

Le radiazioni gamma di energia molto elevata di Eta Carinae potrebbero essere rilevate con H.E.S.S. nel periodo del prossimo incontro delle due stelle giganti. Crediti: Desy, Science Communication Lab

«Nel caso di Eta Carinae, gli elettroni hanno difficoltà a essere accelerati ad alte energie, perché durante la loro accelerazione vengono costantemente deviati dai campi magnetici, perdendo energia», afferma Eva Leser. «La radiazione gamma ad altissima energia inizia al di sopra dei 100 GeV, ed è piuttosto difficile da spiegare in Eta Carinae come derivata dall’accelerazione elettronica». I dati satellitari hanno già indicato che Eta Carinae emette anche radiazioni gamma oltre 100 GeV e ora Hess è riuscito a rilevare tale radiazione fino a energie di 400 GeV, nel periodo in cui le due giganti blu hanno avuto l’incontro ravvicinato, nel 2014 e 2015. Questo rende la stella binaria il primo esempio noto di sorgente in cui la radiazione gamma ad altissima energia è generata dalla collisione di venti stellari.

«L’analisi delle misurazioni della radiazione gamma effettuate da Hess e dai satelliti mostrano che la radiazione può essere meglio interpretata come generata da nuclei atomici in rapida accelerazione», conclude Ruslan Konno. «Ciò renderebbe le regioni d’urto dei venti stellari che collidono un nuovo tipo di acceleratore di particelle naturale per i raggi cosmici». Con Hess e l’imminente Cherenkov Telescope Array (Cta), l’osservatorio di raggi gamma di prossima generazione attualmente in costruzione negli altopiani cileni, gli scienziati sperano di riuscire a indagare ancora più nel dettaglio questo fenomeno e scoprire più sorgenti di questo tipo.

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