Raggi cosmici così energetici da raggiungere la Terra con un’energia dieci milioni di volte maggiore delle particelle più energetiche che riusciamo ad accelerare al Large Hadron Collider del Cern. Talmente energetici che quando hanno visto quello del 1991, uno dei più potenti mai rilevati, l’unico nome che sono riusciti a partorire è stato “particella Oh-my-God”. Non che i fisici siano particolarmente ferrati nell’arte del naming. Un altro evento particolarmente energetico è stato rilevato nel 2021 dal Telescope Array in Utah, battezzato come “particella-Amaterasu”. Energia, pari a quella di una pallina da tennis ultra veloce ma concentrata in una singola particella. Luogo d’origine, ignoto. Composizione, ignota. Secondo un nuovo studio teorico pubblicato su Physical Review Letters, potrebbe trattarsi di nuclei atomici più pesanti del ferro, capaci di mantenere molto più a lungo la propria energia mentre viaggiano nel cosmo.
Rappresentazione artistica di un raggio cosmico ad altissima energia che raggiunge la Terra. Una nuova ricerca suggerisce che alcuni dei raggi cosmici più energetici potrebbero essere costituiti da nuclei atomici più pesanti del ferro. Sullo sfondo sono raffigurati i possibili oggetti da cui provengono questi raggi cosmici, come i nuclei galattici attivi e le stelle di neutroni fortemente magnetizzate. Crediti: Università Metropolitana di Osaka / L-Insight dell’Università di Kyoto / Ryuunosuke Takeshige
Di raggi cosmici, solitamente, si sente parlare in occasione di tempeste solari, riguardo i rischi per la strumentazione in orbita o per la permanenza degli astronauti in orbita. Questi raggi cosmici ultra pesanti, però, non sembrano provenire dal Sole. Per raggiungere le energie con cui arrivano sulla superficie del nostro pianeta devono necessariamente essere prodotti da fenomeni molto più energetici, come il collasso di stelle molto massicce o la collisione fra due stelle di neutroni.
«I raggi cosmici ultra-energetici possono essere accelerati solo dalle sorgenti più potenti del cosmo», dice Kohta Murase, professore di fisica e astronomia al Penn State Eberly College of Science e coautore dello studio. «Quando rileviamo sulla Terra raggi cosmici composti da singole particelle ultra-energetiche come Amaterasu, possiamo usare la loro energia, direzione d’arrivo e deflessione magnetica attesa per individuare la sorgente cosmica d’origine».
La sorpresa, però, è che la direzione dedotta per la particella Amaterasu indicava una regione vuota nello spazio, in cui non si trova alcuna fonte conosciuta di raggi cosmici ad altissima energia.
«Si ritiene che questi raggi cosmici ad altissima energia provengano da fonti astrofisiche estreme, come la collisione di due stelle di neutroni o il collasso di una stella massiccia», continua Murase. «Se si considerano molti eventi di raggi cosmici nel loro insieme, la loro distribuzione energetica, il modello della direzione di arrivo e la composizione dedotta statisticamente forniscono indizi importanti sulla provenienza di queste particelle e su come vengono accelerate».
Per cercare di comprendere i tipi di particelle che potrebbero raggiungere la Terra con queste energie estreme, il team ha eseguito simulazioni computazionali dettagliate di come le energie di particelle di diverse dimensioni cambierebbero mentre queste viaggiano attraverso lo spazio intergalattico. Secondo i risultati, a energie paragonabili a quelle della particella Amaterasu i nuclei ultrapesanti perdono energia più lentamente rispetto ai protoni o ai nuclei di massa intermedia, rendendoli più capaci di sopravvivere alle distanze cosmiche e di raggiungere la Terra con energie estreme. L’ipotesi dei ricercatori è che si tratti di nuclei atomici più pesanti del ferro. I nuclei atomici sono il minuscolo cuore degli atomi, costituiti da protoni e neutroni. Essi contengono quasi tutta la massa di un atomo, pur occupando solo una frazione estremamente piccola del suo volume.
«Non stiamo dicendo che tutti i raggi cosmici ad altissima energia siano nuclei ultrapesanti», precisa il ricercatore. «Ma se alcuni degli eventi ad altissima energia lo fossero, ciò avrebbe un impatto sul modo in cui cerchiamo le loro fonti».
I calcoli hanno anche posto nuovi vincoli su come tali nuclei ultrapesanti contribuiscano alla popolazione complessiva dei raggi cosmici ad altissima energia osservati. I siti e i processi più promettenti per la produzione e l’accelerazione di questi nuclei sarebbero le morti di stelle massicce che portano a un collasso esplosivo in buchi neri o stelle di neutroni fortemente magnetizzate, oppure le fusioni di coppie di stelle di neutroni, già note per essere potenti emittenti di onde gravitazionali. Fenomeni, questi, che possono anche alimentare i lampi di raggi gamma, tra le esplosioni più energetiche dell’universo. Un contributo da queste fonti potrebbe anche aiutare a spiegare una possibile differenza osservata tra il cielo settentrionale e quello meridionale nello spettro dei raggi cosmici ad altissima energia – dicono gli autori. Se i nuclei ultrapesanti contribuiscono in modo significativo alle energie più elevate, i dati futuri dovrebbero indicare una composizione più pesante del ferro.
Per saperne di più:
- Leggi su Physical Review Letters l’articolo “Ultraheavy Ultrahigh-Energy Cosmic Rays“, di Theodore Zhang, Kohta Murase, Nick Ekanger, Mukul Bhattacharya e Shunsaku Horiuchi