Fra le tante domande aperte sull’universo, una riguarda i “raggi gamma mancanti”. Stando ai modelli attuali, i getti ad altissima energia emessi dai blazar – nuclei galattici attivi la cui emissione è orientata verso la Terra – producono raggi gamma nell’ordine dei teraelettronvolt (TeV) in grado d’innescare una cascata di coppie elettrone-positrone che, interagendo con la radiazione cosmica di fondo a microonde (Cmb), dovrebbero a loro volta dare origine di nuovo a raggi gamma, questa volta però nell’ordine dei gigaeletronvolt (GeV), dunque con un’energia significativamente più bassa di quella iniziale. Tutto bene, se non fosse che di quest’ultima emissione – quella gamma a “bassa” energia – non vi è traccia nei dati dei telescopi: raggi gamma mancanti, appunto.
Rappresentazione artistica di un blazar. Crediti: Nasa/Goddard Space Flight Center Conceptual Image Lab
Possibili spiegazioni non mancano. Una è che le coppie di materia e antimateria – quelle formate da un elettrone un positrone – vengano deviate, essendo particelle cariche, da deboli campi magnetici intergalattici, che allontanano i raggi gamma a bassa energia dalla nostra linea di vista. Un’altra ipotesi, legata alla fisica del plasma, è che i fasci di coppie di particelle elettrone-positrone, attraversando il mezzo intergalattico, diventino instabili, non più vicini e paralleli, producendo essi stessi piccole fluttuazioni – e, da queste, deboli campi magnetici – che ne accrescono l’instabilità fino a dissipare l’energia del fascio.
Gianluca Gregori, professore di fisica all’Università di Oxford, è lo scienziato alla guida dell’esperimento condotto al Cern i cui risultati sono stati pubblicati la settimana scorsa su Pnas
Come decidere qual è lo scenario più probabile? Un team di fisici coordinato dall’Università di Oxford ci ha provato con le “maniere forti”: ricreando qui sulla Terra – nei laboratori del Cern, usando l’acceleratore Super Proton Synchrotron (Sps) – condizioni simili a quelle presenti attorno ai blazar. Com’è andata lo chiediamo a Gianluca Gregori, lo scienziato alla guida dell’esperimento, i cui risultati sono stati pubblicati la scorsa settimana su Pnas. Nato a Bologna, dove si è laureato in ingegneria nucleare, Gregori ha successivamente conseguito un master in astrofisica e un PhD in ingegneria meccanica all’Università del Minnesota (Minneapolis, Usa), ha poi svolto attività di ricerca al Lawrence Livermore National Laboratory (Usa), al Rutherford Appleton Laboratory (Regno Unito) e dal 2007 ha iniziato a lavorare al Dipartimento di fisica dell’Università di Oxford, dove si trova tutt’ora.
Gregori, partiamo dal contesto: che contributo può dare la fisica sperimentale a una disciplina storicamente osservativa qual è l’astrofisica?
«La fisica sperimentale si pone come supporto alla ricerca osservativa e alle simulazioni. Negli esperimenti, per esempio, si possono misurare quantità che non è possibile misurare in un oggetto astrofisico. Se poi si applicano le trasformazioni di similitudine, come per le instabilità del fascio, l’esperimento può aiutare a capire meglio cosa succede nel caso osservativo. Al tempo stesso, gli esperimenti possono essere usati per testare e validare le simulazioni e quindi fornire un livello di accuratezza molto superiore a quello che si potrebbe avere senza una verifica».
E il vostro esperimento al Cern, questo nel quale avete riprodotto condizioni analoghe a quelle presenti attorno a un blazar, cosa vi ha permesso di misurare?
«I processi che vogliamo studiare riguardano la formazione di instabilità nel fascio di coppie. Il fattore di crescita di queste instabilità dipende da tre parametri: il rapporto tra la densità del fascio e quella dell’ambiente circostante; la velocità delle coppie; e la divergenza del fascio. La velocità delle coppie nel nostro esperimento è molto simile a quella dei fasci da blazar. Le densità sono ovviamente molto diverse, ma il rapporto tra le densità non è poi così dissimile. La stessa cosa si può dire sulla divergenza dei fasci. In ogni caso, usando questi parametri, la crescita dell’instabilità nel laboratorio si può facilmente ricalcolare per il caso astrofisico. Questo è esattamente quello che abbiamo fatto nell’esperimento: abbiamo misurato (o meglio, ottenuto una stima superiore) il fattore di crescita dell’instabilità, e usando la relazione precedente, ottenuto il fattore di crescita dell’instabilità per un fascio di coppie che proviene da un blazar».
Sullo sfondo, simulazione di un fascio inizialmente uniforme di elettroni e positroni che interagisce con un plasma. Mentre il fascio attraversa il plasma di fondo, i positroni (rossi) si concentrano mentre gli elettroni (blu) si diffondono formando una nube circostante. Ciò illustra la fisica alla base dell’instabilità di filamentazione, che si ritiene abbia un ruolo chiave nella propagazione e nella dinamica dei getti cosmici. La simulazione è stata eseguita con il codice Osiris Particle-in-Cell ed è tra le più grandi mai realizzate per tali interazioni fascio-plasma (crediti immagine: Pablo J. Bilbao & Luís O. Silva/GoLP, Instituto Superior Tecnico, Lisbona & Università di Oxford). In sovraimpressione in primo piano, geometria semplificata dell’esperimento. Il recipiente di scarica del plasma è modellato come un tubo in acciaio inossidabile con due sezioni in vetro dove sono collocate le bobine induttive (crediti: Charles D. Arrowsmith et al, Pnas, 2025)
Tutto questo, si legge nel vostro articolo, inviando coppie elettrone-positrone, prodotte con il Super Proton Synchrotron, attraverso un cilindro pieno di plasma lungo poco meno d’un metro. Cos’avete visto accadere, in quel tubo?
«Ci aspettavamo di vedere che il fascio di coppie, inizialmente omogeneo, iniziasse a esibire modulazioni nel profilo di densità. Invece, diversamente dalle aspettative, il fascio è rimasto omogeneo. In conferma, il campo magnetico era al di sotto della sensibilità della diagnostica. Infatti, le modulazioni in densità sono da attribuire a correnti elettriche, che, a loro volta, producono campi magnetici. Se non ci sono modulazioni di densità (o sono molto piccole), non ci sono correnti e campi magnetici».
Dunque il risultato sembrerebbe escludere che la spiegazione all’enigma dei raggi gamma mancanti sia l’instabilità delle coppie elettrone-positrone. Possiamo considerarlo un primo indizio sperimentale della presenza nel mezzo intergalattico d’un campo magnetico primordiale?
«Sì, è sicuramente un indizio. Molto dipende da quello che ci dirà Ctao, il Cherenkov Telescope Array Observatory – un telescopio che ha la capacità di misurare l’emissione dei fasci a risoluzione molto più elevata e quindi determinare con certezza l’intensità del campo magnetico necessario per spiegare i raggi gamma mancanti».
Per saperne di più:
- Leggi su Proceedings of the National Academy of Sciences l’articolo “Suppression of pair beam instabilities in a laboratory analogue of blazar pair cascades”, di Charles D. Arrowsmith, Francesco Miniati, Pablo J. Bilbao, Pascal Simon, Archie F. A. Bott, Stephane Burger, Hui Chen, Filipe D. Cruz, Tristan Davenne, Anthony Dyson, Ilias Efthymiopoulos, Dustin H. Froula, Alice Goillot, Jon T. Gudmundsson, Dan Haberberger, Jack W. D. Halliday, Tom Hodge, Brian T. Huffman, Sam Iaquinta, G. Marshall, Brian Reville, Subir Sarkar, Alexander A. Schekochihin, Luis O. Silva, Raspberry Simpson, Vasiliki Stergiou, Raoul M. G. M. Trines, Thibault Vieu, Nikolaos Charitonidis, Robert Bingham e Gianluca Gregori