I raggi cosmici sono particelle energetiche – molto più dei protoni accelerati nel Large Hadron Collider del Cern – in grado di attraversare il cosmo sotto forma di fasci ad alta energia. Vengono solitamente suddivisi in due classi: le specie primarie, accelerate dalle sorgenti, e le specie secondarie, prodotte dalla frammentazione dei raggi cosmici primari a seguito delle collisioni con il mezzo interstellare. Costituiti prevalentemente da nuclei di idrogeno ed elio e, in quantità minore, di carbonio, ossigeno e altri elementi più pesanti fino al ferro, i loro meccanismi di produzione e propagazione rimangono tuttora poco noti.
Ora, grazie all’analisi dei dati raccolti in nove anni – dal 1° gennaio 2016 al 31 dicembre 2024 – dalla missione spaziale cinese Dampe (Dark Matter Particle Explorer), è stato possibile ottenere lo spettro di queste particelle nelle fasce di energia più elevate. Spettro dal quale è emerso chiaramente un picco caratteristico di tutti i tipi di nuclei seguito – in corrispondenza del cosiddetto “ginocchio” – da una discesa. La diminuzione avviene – indipendentemente dalla massa dei nuclei – attorno a un valore di rigidità magnetica, pari a circa 15 teravolt, uguale per tutti i tipi di nuclei. Lo studio conferma le precedenti osservazioni su protoni e nuclei di elio, che già mostravano la discesa dello spettro attorno al valore di 15 teravolt, e mostra per la prima volta la medesima caratteristica anche nello spettro dei nuclei di carbonio, ossigeno e ferro.
I principali componenti dei raggi cosmici: i nuclei di idrogeno, elio, carbonio, ossigeno e ferro. Crediti: Accademia cinese delle scienze
Il risultato, inseguito da decenni e riportato la settimana scorsa su Nature, offre dunque la prima conferma osservativa del fatto che la diminuzione dell’energia osservata non dipende dalla massa dei nuclei, come ipotizzato da alcuni modelli, bensì dalla loro carica – in particolare dalla rigidità magnetica, appunto, proprietà di una particella elettricamente carica che misura quanto sia difficile per un campo magnetico deviarne la traiettoria. E consolida l’idea che i raggi cosmici siano accelerati in sorgenti astrofisiche come supernove o pulsar, lasciando comunque aperte le domande su quale sorgente – o classe di sorgenti – sia responsabile dell’eccesso osservato.
L’andamento della rigidità magnetica dei nuclei di idrogeno (a), elio (b), carbonio (c), ossigeno (d) e ferro (e). Si noti il picco seguito da una rapida discesa attorno al valore di 15 teravolt. Crediti: Nature
Dampe è stato lanciato nel 2015 dall’Agenzia spaziale cinese, e alla sua realizzazione ha contribuito anche l’Italia, attraverso l’Infn e il Gssi. Il suo scopo principale è cercare indizi di materia oscura attraverso l’osservazione di raggi cosmici e particelle ad alta energia. Dampe, infatti, è in grado di misurare con precisione la carica, la direzione, l’energia e l’identità di particelle e raggi cosmici. In particolare, il suo calorimetro è progettato per osservare energie superiori a dieci teravolt con una risoluzione energetica molto elevata.
«Questo risultato conferma uno dei capisaldi della teoria dei raggi cosmici, che risale a circa ottant’anni ma fino a oggi mai verificato sperimentalmente. Mi riferisco a Enrico Fermi e alla sua teoria sull’accelerazione dei raggi cosmici, formulata nel 1949», ricorda uno degli autori dello studio, Andrii Tykhonov, dell’Università di Ginevra. «Nei nostri recenti risultati osserviamo un eccesso in tutti i raggi cosmici primari, dall’idrogeno al ferro, il che è molto coerente con una sorgente locale, come la pulsar Geminga, o la supernova che l’ha preceduta. Un’altra possibile spiegazione è la modifica della propagazione dei raggi cosmici nel mezzo interstellare. Oppure, ad esempio, potrebbe trattarsi di una popolazione di sorgenti, e non di una singola sorgente soltanto».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature l’articolo “Charge-dependent spectral softenings of primary cosmic rays below the knee” della collaborazione Dampe
- Leggi il comunicato stampa dell’Infn
Guarda il video (in inglese, ma con subs in italiano) sul canale YouTube dell’Infn:
Integrazione del 5/5/2026: a proposito della partecipazione italiana, oltre all’Infn è stato aggiunto anche il Gssi.