Un team internazionale che vede coinvolti ricercatori dell’Istituto nazionale di astrofisica (Inaf), dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (Infn) e dell’Agenzia spaziale italiana (Asi) ha ottenuto nuove evidenze dell’esistenza di campi magnetici primordiali nei vuoti cosmici, aprendo una nuova finestra sullo studio delle condizioni fisiche dell’universo primordiale. I risultati dello studio sono stati pubblicati oggi su Physical Review D.
Rendering della distribuzione ipotetica del campo magnetico nella “ragnatela cosmica”, in una grande simulazione cosmologica. Crediti: Vazza F. et al. 2025 A&A
Grazie a questo studio, realizzato con i dati raccolti dal telescopio spaziale Fermi della Nasa e, in particolare, da Lat (Large Area Telescope), strumento progettato e realizzato con un contributo decisivo dell’Italia, grazie all’Asi, all’Infn e all’Inaf, è stato possibile stabilire che i vuoti tra le galassie sono permeati da un campo magnetico primordiale, originato nelle prime fasi dell’evoluzione dell’Universo. Il valore minimo dell’intensità del campo magnetico stimato, pari a 25 miliardesimi di miliardesimi di gauss (per confronto, il campo magnetico terrestre è circa 20 milioni di miliardi di volte più intenso), rappresenta il vincolo più stringente e robusto finora ottenuto, in quanto basato su un numero minimo di assunzioni rispetto alle stime precedenti.
Per effettuare questa misura, i ricercatori hanno sfruttato l’esplosione cosmica più potente mai osservata, il lampo di raggi gamma Grb 221009A, che ha “illuminato” i vuoti tra le galassie e la cui emissione nella banda dei TeV (teraelettronvolt) è stata direttamente misurata grazie alle osservazioni del Large High Altitude Air Shower Observatory (Lhaaso).
«Rispetto ai precedenti lavori sulle sorgenti transienti, i nostri risultati rappresentano un nuovo record per l’intensità minima che i campi magnetici cosmologici dovrebbero avere», commenta Paolo Da Vela dell’Inaf di Bologna, coautore dello studio, nonché uno dei tre contact author che hanno guidato il lavoro.
L’origine dei campi magnetici a larga scala nell’universo è uno dei misteri della cosmologia contemporanea. Per spiegare la loro origine sono stati proposti diversi meccanismi, la maggior parte dei quali prevede che i vuoti tra le galassie non siano così vuoti, bensì permeati da campi magnetici originati nell’Universo primordiale.
Paolo Da Vela, ricercatore Inaf presso l’Osservatorio di astrofisica e scienza dello spazio di Bologna. Crediti: Inaf
La misura di questi campi magnetici è particolarmente complessa. Nelle grandi strutture galattiche viene tipicamente effettuata tramite osservazioni nella banda radio, che hanno consentito di porre limiti superiori all’intensità dei campi magnetici cosmologici.
Anche le osservazioni nella banda dei raggi gamma consentono di stabilire vincoli, ma in questo caso sull’intensità minima del campo magnetico. La misura avviene in modo indiretto, tramite lo studio delle interazioni tra le particelle. Quando una sorgente extragalattica luminosa emette raggi gamma di altissima energia, dell’ordine dei TeV, che si propagano nei vuoti tra le galassie, tali fotoni interagiscono con la luce ottica di fondo producendo una “cascata” di elettroni e positroni. Queste particelle, a loro volta, generano raggi gamma secondari con energie circa mille volte inferiori, dell’ordine dei GeV. In presenza di un campo magnetico, la traiettoria delle particelle cariche viene deviata, modificando lo sviluppo della cascata e lasciando una traccia osservabile nell’emissione gamma.
Questo metodo consente di individuare la presenza di campi magnetici nei vuoti cosmici, ponendo vincoli massimi e minimi della loro intensità. C’è però una limitazione: la ricostruzione della cascata richiede l’introduzione di alcune ipotesi sulla durata dell’emissione di raggi gamma nella banda dei TeV da parte della sorgente. Tale durata, infatti, non è in generale nota, poiché non è sempre possibile stabilire da quanto tempo siano attive le sorgenti extragalattiche sufficientemente luminose.
La situazione è cambiata il 9 ottobre 2022, quando il satellite Fermi ha rivelato un lampo di raggi gamma di eccezionale luminosità ed energia, stabilendo il record per il flusso di fotoni ad alta energia mai osservato prima. L’evento, noto come Grb 221009A, è stato sufficientemente energetico e vicino da essere rilevato anche nella banda dei TeV dall’osservatorio terrestre Lhasso per alcune migliaia di secondi.
Nel loro percorso dalla galassia ospite fino alla Terra, i raggi gamma ad altissima energia hanno prodotto un flusso sufficiente a innescare la cascata di interazioni tra le particelle nei vuoti cosmici. In questo caso, grazie alla breve e ben definita durata dell’evento, è possibile escludere il contributo di altri processi fisici, rendendo i campi magnetici cosmologici l’unico fattore in grado di influenzare lo sviluppo della cascata.
«Le nostre simulazioni indicano inoltre che il monitoraggio di questa regione di cielo nei prossimi anni consentirà di migliorare ulteriormente i risultati, proseguendo la ricerca dei campi magnetici primordiali», conclude Da Vela. «In particolare, si mostra come la futura osservazione di nuovi eventi transienti, quali i lampi di raggi gamma nella banda dei TeV, con il Cherenkov Telescope Array Observatory (Ctao), sarà cruciale non solo per aumentare il numero di Grb osservati nella banda delle altissime energie, ma anche per lo studio dei campi magnetici intergalattici».
Grazie al suo ampio intervallo energetico e alla sua sensibilità, Ctao permetterà per la prima volta di studiare con un unico strumento sia l’emissione dei Grb nella banda dei TeV sia quella delle cascate elettromagnetiche alle decine di GeV, particolarmente rilevanti per l’analisi dei campi magnetici cosmologici. Un ruolo chiave sarà svolto dal sito Nord, dove è prevista l’installazione dei telescopi Large-Sized Telescope (Lst), sensibili fino a energie minime dell’ordine dei 20 GeV.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review D l’articolo “Constraints on the intergalactic magnetic field from Fermi-LAT observations of GRB 221009A”, di Lea Burmeister, Paolo Da Vela, Francesco Longo, Guillem Martí-Devesa, Manuel Meyer, Francesco G. Saturni, Antonio Stamerra e Péter Veres
