LA PARTICELLA FANTASMA RIVELA UN ACCELERATORE DI PARTICELLE COSMICHE

Un neutrino dal cuore dell’oscurità, fino alla Terra

Il 1° ottobre 2019 IceCube ha registrato un neutrino la cui energia era almeno dieci volte l'energia massima che può essere raggiunta nel Large Hadron Collider, nella stessa direzione di un evento di distruzione mareale individuato al Monte Palomar sei mesi prima. Si tratta della prima particella ricondotta a un tale evento e fornisce la prova che queste catastrofi cosmiche possono costituire potenti acceleratori naturali di particelle. La scoperta, che dimostra le enormi potenzialità dell’astronomia multimessaggera, è descritta su Nature Astronomy

     22/02/2021
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Dopo che il buco nero supermassiccio ha distrutto la stella, circa metà di ciò che ne rimane viene lanciata nello spazio, mentre il resto va a confluire nel disco di accrescimento che circonda il buco nero. Il sistema emette su molte lunghezze d’onda e si pensa abbia prodotto outflow energetici simili a getti di materiale, perpendicolari al disco di accrescimento. Un potente motore centrale in prossimità del disco di accrescimento ha invece emesso veloci particelle subatomiche. Crediti: Desy, Science Communication Lab

Ripercorrendo idealmente la strada di una particella fantasma – rilevata nel ghiaccio del Polo Sud terrestre – fino alla stella dalla quale si presumeva avesse avuto origine, si è scoperto come tale stella sia in realtà andata distrutta, e come la particella sia stata spinta verso la Terra da un gigantesco acceleratore di particelle cosmico.

La particella subatomica in questione – un neutrino – ha iniziato il suo viaggio verso la Terra dopo che la stella, avvicinandosi troppo al buco nero supermassiccio al centro della galassia in cui dimorava, è stata lacerata dalla sua colossale gravità. Si tratta della prima particella ricondotta a un tale evento – che prende il nome di evento di distruzione mareale (Tde) – e fornisce la prova che queste catastrofi cosmiche ancora poco conosciute possono costituire potenti acceleratori naturali di particelle.

Lo studio, guidato dallo scienziato Robert Stein del Desy – acronimo di Deutsches Elektronen-Synchrotron, un centro nazionale di ricerca scientifica sulla fisica nucleare, in Germania – è stato pubblicato oggi su Nature Astronomy. Oltre alla scoperta in sé, queste osservazioni dimostrano le potenzialità di esplorare il cosmo attraverso una combinazione di diversi “messaggeri” come i fotoni (le particelle di luce) e i neutrini, in quella che viene chiamata astronomia multimessaggero.

Il neutrino ha iniziato il suo viaggio circa 700 milioni di anni fa, quando sulla Terra si stavano sviluppando i primi esseri pluricellulari del regno animale. 700 milioni di anni è il tempo di viaggio necessario alla particella per arrivare fino alla Terra, dalla lontana galassia 2MASX J20570298 + 1412165, nella costellazione del Delfino. Gli scienziati stimano che l’enorme buco nero supermassiccio nel suo centro abbia una massa fino a 30 milioni di volte la massa solare. «La forza di gravità diventa sempre più forte, più ci si avvicina a qualcosa. Ciò significa che la gravità del buco nero attira il lato vicino della stella in modo maggiore del lato lontano, inducendo uno stiramento della stella stessa», spiega Stein. «Questa differenza è chiamata forza mareale e man mano che la stella si avvicina, l’allungamento diventa più estremo. Alla fine, la stella viene lacerata ed è per questo che lo chiamiamo evento di distruzione mareale. È lo stesso processo che porta alle maree oceaniche sulla Terra, ma fortunatamente per noi la Luna non esercita un’attrazione gravitazionale sufficientemente forte da distruggere la Terra».

Circa metà di ciò che è rimasto della stella è stato lanciato nello spazio, mentre l’altra metà si è depositata su un disco vorticoso attorno al buco nero, il cosiddetto disco di accrescimento. Prima di cadere nel buco nero, la materia del disco di accrescimento diventa sempre più calda ed estremamente luminosa. Un bagliore riconducibile a un tale evento di distruzione stellare è stato rilevato per la prima volta dalla Zwicky Transient Facility (Ztf) sul Monte Palomar in California, il 9 aprile 2019.

Sei mesi dopo, il 1 ottobre 2019, il rilevatore di neutrini IceCube al Polo Sud ha registrato un neutrino estremamente energetico in corrispondenza della direzione dell’evento di distruzione mareale individuato al Monte Palomar. «Il neutrino si è schiantato contro il ghiaccio antartico con un’energia di oltre 100 teraelettronvolt», racconta Anna Franckowiak del Desy, professoressa all’Università di Bochum. «Per fare un confronto, è almeno dieci volte l’energia massima delle particelle che può essere raggiunta nel più potente acceleratore di particelle del mondo, il Large Hadron Collider del Cern, vicino a Ginevra».

I neutrini, particelle estremamente leggere, interagiscono molto debolmente con la materia, passando inosservati non solo attraverso i muri ma attraverso interi pianeti o stelle. Questo è il motivo per cui spesso sono indicati come particelle fantasma. Quindi, catturare anche un solo neutrino ad alta energia è già un’osservazione degna di nota. L’analisi ha mostrato che questo particolare neutrino ha solo una possibilità su 500 di coincidere con l’evento di distruzione mareale per puro caso. La rilevazione ha indotto ulteriori osservazioni dell’evento con molti strumenti in tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi X. «Questo è il primo neutrino collegabile a un evento di distruzione mareale e ci fornisce prove preziose», spiega Stein. «Tali eventi non sono ben compresi. La rilevazione del neutrino indica l’esistenza di un potente motore centrale vicino al disco di accrescimento, che emette particelle veloci. L’analisi combinata dei dati da telescopi radio, ottici e ultravioletti ci fornisce un’ulteriore prova che il Tde agisce come un gigantesco acceleratore di particelle».

Le osservazioni si spiegano chiamando in causa un outflow energetico di veloci getti di materia che fuoriescono dal sistema, prodotti dal motore centrale e che durano per centinaia di giorni. Alla stessa conclusione è arrivata anche un’altra analisi condotta da Walter Winter, capo del gruppo di fisica teorica delle astroparticelle al Desy, e dalla sua collega Cecilia Lunardini dell’Arizona State University, presentata in un modello teorico pubblicato nello stesso numero di Nature Astronomy. «Il neutrino è partito relativamente tardi, sei mesi dopo l’inizio del banchetto stellare. Il nostro modello spiega questo tempismo in modo naturale», afferma Winter.

Impressione artistica del disco di accrescimento attorno al buco nero supermassiccio, con strutture simili a getti che fluiscono via dal disco. La massa del buco nero piega lo spaziotempo, consentendo di vedere il lato più lontano del disco di accrescimento come un’immagine sopra e sotto il buco nero. Crediti: Desy, Science Communication Lab

L’acceleratore cosmico emette diversi tipi di particelle ma a parte neutrini e fotoni, queste particelle sono elettricamente cariche e quindi vengono deviate durante il loro viaggio dai campi magnetici intergalattici. Solo i neutrini, elettricamente neutri, possono viaggiare su una linea retta, come la luce, dalla sorgente verso la Terra, e diventare preziosi messaggeri da tali sistemi. «Le osservazioni combinate dimostrano il potere dell’astronomia multimessaggero», afferma il coautore MarekKowalski del Desy e professore all’Università Humboldt di Berlino. «Senza il rilevamento dell’evento di distruzione mareale, il neutrino sarebbe stato solo uno dei tanti. E senza il neutrino, l’osservazione dell’evento di distruzione mareale sarebbe stato solo uno dei tanti. Solo attraverso la loro combinazione possiamo trovare l’acceleratore e imparare qualcosa di nuovo sui processi interni».

L’associazione del neutrino ad alta energia all’evento di distruzione mareale è stata trovata da un sofisticato pacchetto software chiamato Ampel, sviluppato appositamente dal Desy per cercare correlazioni tra i neutrini rilevati da IceCube e gli oggetti astrofisici rilevati dalla Zwicky Transient Facility, progettata per catturare centinaia di migliaia di stelle e galassie in un singolo scatto e capace di osservare il cielo notturno in modo particolarmente veloce. «Dal nostro inizio nel 2018 abbiamo rilevato oltre 30 eventi di distruzione mareale, più che raddoppiando il numero noto di tali oggetti», afferma Sjoert van Velzen dell’Osservatorio di Leiden, coautore dello studio. «Quando ci siamo resi conto che il secondo Tde più luminoso da noi osservato era la sorgente di un neutrino ad alta energia registrato da IceCube, ne siamo rimasti entusiasti».

«Questa potrebbe essere solo la punta dell’iceberg. In futuro, ci aspettiamo di trovare molte altre associazioni tra i neutrini ad alta energia e le loro sorgenti», conclude Francis Halzen, dell’Università del Wisconsin-Madison e principal investigator di IceCube. «C’è una nuova generazione di telescopi in costruzione che fornirà una maggiore sensibilità ai Tde e ad altre potenziali sorgenti di neutrini. Ancora più importante è l’estensione pianificata del rivelatore di neutrini IceCube, che aumenterà di almeno dieci volte il numero di rilevamenti di neutrini cosmici».

Guarda il servizio video di MediaInaf Tv:

Per saperne di più:

  • Leggi su Nature Astronomy l’articolo “A tidal disruption event coincident with a high-energy neutrino” di Robert Stein, Sjoert van Velzen, Marek Kowalski, Anna Franckowiak, Suvi Gezari, James C. A. Miller-Jones, Sara Frederick, Itai Sfaradi, Michael F. Bietenholz, Assaf Horesh, Rob Fender, Simone Garrappa, Tomás Ahumada, Igor Andreoni, Justin Belicki, Eric C. Bellm, Markus Böttcher, Valery Brinnel, Rick Burruss, S. Bradley Cenko, Michael W. Coughlin, Virginia Cunningham, Andrew Drake, Glennys R. Farrar, Michael Feeney, Ryan J. Foley, Avishay Gal-Yam, V. Zach Golkhou, Ariel Goobar, Matthew J. Graham, Erica Hammerstein, George Helou, Tiara Hung, Mansi M. Kasliwal, Charles D. Kilpatrick, Albert K. H. Kong, Thomas Kupfer, Russ R. Laher, Ashish A. Mahabal, Frank J. Masci, Jannis Necker, Jakob Nordin, Daniel A. Perley, Mickael Rigault, Simeon Reusch, Hector Rodriguez, César Rojas-Bravo, Ben Rusholme, David L. Shupe, Leo P. Singer, Jesper Sollerman, Maayane T. Soumagnac, Daniel Stern, Kirsty Taggart, Jakob van Santen, Charlotte Ward, Patrick Woudt & Yuhan Yao
  • Leggi su Nature Astronomy l’articolo “A concordance scenario for the observed neutrino from a tidal disruption event” di Walter Winter e Cecilia Lunardini