STA CEDENDO LA SUA ENERGIA CINETICA PER ACCELERARE ADRONI

Sn 1006, un “super Lhc” nella costellazione del Lupo

I resti di supernova possono comportarsi come potentissimi acceleratori di particelle, in grado di produrre raggi cosmici fino a energie di qualche PeV. La conferma arriva da uno studio guidato dall’astrofisica Roberta Giuffrida (Università di Palermo e Istituto nazionale di astrofisica) pubblicato questa settimana su Nature Communications

     01/09/2022
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Clicca per accedere su SketchFab al modello 3D di Sn 1006 realizzato da Salvatore Orlando. Crediti: Inaf/OaPa; Sn 1006 image by Nasa/Chandra

Il nostro pianeta viene costantemente bombardato da particelle altamente energetiche – principalmente protoni – chiamate raggi cosmici. lo studio dei raggi cosmici è un argomento di grande interesse per vari campi della scienza, ad esempio per le conseguenze che possono avere su attrezzature e astronauti nello spazio, dove la naturale protezione fornita dal campo magnetico terrestre è minore o nulla. Alcune di queste particelle possono anche raggiungere energie estremamente elevate, fino a un ordine di 1020 eV: oltre 40 milioni di volte l’energia massima prodotta dal Large Hadron Collider, il più grande acceleratore di particelle costruito dall’uomo.

Cosa accelera le particelle fino a energie così elevate? Da tempo è stato suggerito che raggi cosmici fino a energia di qualche PeV (1015 eV) possano venire accelerati nei resti di supernova, nebulose in rapida espansione prodotte dall’esplosione di stelle di grande massa, che potrebbero cedere fino al 10-20 per cento della loro energia cinetica alle particelle che vengono accelerate. Osservate alle onde radio e ai raggi X, queste nebulose mostrano spesso emissione dovute a particelle relativistiche in moto in campi magnetici – la cosiddetta emissione di sincrotrone. In alcuni casi è stata anche individuata emissione di raggi gamma, prodotta dall’interazione tra protoni relativistici e il mezzo (gas e polveri) dentro cui il resto di supernova si sta espandendo. Aver individuato queste emissioni non fornisce però una prova certa del fatto che i resti di supernova possano produrre raggi cosmici. Una prova più concreta potrebbe arrivare dalla stima della densità del materiale compresso dall’onda d’urto prodotta dalla supernova e in rapida espansione. Il materiale compresso nei resti di supernova soddisfa infatti le condizioni di shock forte: il materiale compresso (post-shock) ha una densità 4 volte maggiore del materiale ancora non compresso (pre-shock). Modelli che descrivono il meccanismo di accelerazione di raggi cosmici prevedono invece che questo rapporto di densità debba essere almeno pari a 7, e deve dipendere dall’orientamento tra il campo magnetico locale e la direzione di propagazione dell’onda d’urto (zero se perpendicolari, massimo se paralleli).

Roberta Giuffrida, prima autrice dello studio pubblicato su Nature Communications

Il resto di supernova Sn 1006 – residuo di un’esplosione stellare osservata nella costellazione del Lupo nell’anno 1006 – è uno degli oggetti più interessanti per studiare il ruolo dei resti di supernova nell’accelerazione di raggi cosmici. Sn 1006, infatti, si sta espandendo in un mezzo tenue ed uniforme, come testimoniato dalla sua forma pressoché circolare. Questo facilità la misura di densità pre- e post-shock e la loro dipendenza dall’angolo tra campo magnetico e direzione di propagazione dell’onda d’urto. Diversi studi hanno anche dimostrato l’esistenza di particelle relativistiche in questo resto di supernova.

«Il nostro progetto è nato con lo scopo di mostrare, per la prima volta, evidenza di accelerazione di raggi cosmici da parte di shock di resti di supernova, uniche sorgenti galattiche in grado di fornire la potenza necessaria ad accelerare particelle», spiega l’astrofisica Roberta Giuffrida (Università di Palermo e Inaf – Osservatorio astronomico di Palermo), prima autrice di un articolo su Sn 1006 pubblicato questa settimana su Nature Communications. «Grazie allo studio dell’emissione X del resto di supernova Sn 1006 mediante due diversi telescopi spaziali per i raggi X (Chandra della Nasa e Xmm-Newton dell’Esa), abbiamo trovato un’efficiente accelerazione dove il campo magnetico risulta parallelo alla direzione di propagazione dello shock. A questi nuovi risultati osservativi abbiamo aggiunto il confronto con simulazioni che prevedono l’esistenza di una regione immediatamente dietro il fronte di shock che opera da fonte di energia aggiuntiva per l’accelerazione di particelle. L’ottimo accordo tra risultati teorici e sperimentali conferma che Sn 1006 sta cedendo tra il 10 e il 20 per cento della sua energia cinetica per accelerare adroni». Questo fornisce una prova sostanziale che Sn 1006 sia un acceleratore di particelle cosmico, capace di produrre raggi cosmici.

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