I neutrini sono particelle molto particolari: hanno massa trascurabile, sono privi di carica elettrica e interagiscono in misura estremamente limitata con la materia. Sono le particelle con massa più abbondanti nell’universo e possono essere generati attraverso una serie di processi, come il decadimento di particelle pesanti, le reazioni nucleari nel Sole e le esplosioni stellari. L’abbondanza dei neutrini ad alta energia nell’universo è ancora oggi un mistero non del tutto risolto. Nel 2021 l’osservatorio IceCube, in Antartide, aveva rilevato un evento di neutrino ad alta energia – “targato” Ic 210922A – la cui fonte era ignota.
Per riuscire a scoprirne l’origine, un team internazionale di scienziati guidato da Yuji Urata (Mitos Science Co., Ltd, Taiwan) e Kuiyun Huang (Chung Yuan Christian University, Taiwan) ha utilizzato il telescopio Atacama Large Millimeter/submillimeter Array (Alma), in Cile, insieme a due strumenti – lo spettrografo multi-oggetto (Gmos) e lo spettrografo nel vicino infrarosso (Gnirs) – del telescopio Gemini North, alle Hawaii. Seguendone la direzione di arrivo, gli scienziati hanno individuato la fonte del neutrino grazie a un fenomeno astronomico che ha fatto la differenza nella scoperta: una lente gravitazionale. Ad agire da lente, in questo caso, è stata una galassia ellittica posta esattamente tra la Terra e la sorgente: per effetto della curvatura dello spaziotempo, la galassia ha deviato e concentrato le onde radio emesse dalla sorgente dando origine a quattro immagini distorte, come illustrato nell’immagin3 qui sotto. Consentendo così di individuare come sorgente di Ic 210922A l’oggetto Shadow Blaster, una galassia compatta in fase di formazione stellare risalente a circa 11 miliardi di anni fa. Il risultato è stato pubblicato la settimana scorsa in un articolo su Nature Astronomy.
Immagini acquisite con Alma e Gemini North. A sinistra: il campo circostante la galassia Shadow Blaster, soggetta a lente gravitazionale e situata proprio dietro la galassia rossa brillante al centro dell’immagine. Al centro: un primo piano della lente gravitazionale: la galassia rossa in primo piano devia la luce proveniente da Shadow Blaster, creando molteplici immagini distorte della galassia che appaiono come archi gialli. A destra: un primo piano di Shadow Blaster. Crediti: International Gemini Observatory/NoirLab/Nsf/Aura/Alma (Eso/Naoj/Nrao). Elaborazione delle immagini: T.A. Rector (University of Alaska Anchorage/Nsf NoirLab), D. de Martin e M. Zamani (Nsf NoirLab). Riconoscimenti: PI: Yuji Urata (Mitos Science Co., Ltd)
«I dati combinati di Gmos e Gnirs ci hanno permesso di misurare la distanza dalla galassia che funge da lente e di stabilire che si tratta di una galassia ellittica massiccia. Queste informazioni sono state fondamentali per stimare la distribuzione di massa della lente e costruire un modello della lente gravitazionale», dice Urata. La lente gravitazionale ha svolto il ruolo di telescopio naturale, amplificando il segnale proveniente da Shadow Blaster – segnale che senza lente sarebbe stato troppo debole per poter essere analizzato approfonditamente. Alma ha quindi potuto studiare la struttura interna di questa galassia dell’universo primordiale con dettagli altrimenti impossibili. Gli scienziati si aspettavano che il motore all’origine della straordinaria luminosità della galassia fosse un buco nero supermassiccio. Hanno invece scoperto che la galassia è alimentata da un’intensa attività di formazione stellare: un risultato che fornisce importanti prove osservative utili a spiegare l’origine dei neutrini cosmici ad alta energia.
«Shadow Blaster presenta quel tipo di ambiente denso e ricco di gas che, secondo quanto suggerito da tempo dai modelli teorici, potrebbe produrre in modo efficiente neutrini ad alta energia», spiega Urata. Nonostante approfondite ricerche successive, non è stato trovato alcun altro candidato più plausibile di Shadow Blaster come fonte di Ic 210922A. «Se confermato, Shadow Blaster sarebbe la prima galassia polverosa in formazione stellare mai individuata direttamente collegabile a un evento di neutrini ad alta energia».
«Questa scoperta dimostra come i rivelatori di particelle e i telescopi abbiano un impatto molto maggiore quando operano in sinergia, aprendo una potente finestra “multimessaggera” sull’universo», dice Martin Still, program director presso l’Ufficio per le infrastrutture di ricerca della National Science Foundation. «Combinando i segnali provenienti dalle particelle e dalla luce, gli scienziati possono esplorare ambienti ed eventi cosmici lontani con un livello di dettaglio senza precedenti, rivelando fenomeni che un tempo erano solo teorici».
Rappresentazione dello studio. Alma ha ripreso la galassia Shadow Blaster nella stessa direzione dell’evento di neutrini ad alta energia Ic 210922A – le osservazioni radio effettuate da Alma sono mostrate in dettaglio nell’inserto in basso a destra. A causa dell’effetto di lente gravitazionale, le osservazioni mostrano quattro immagini distorte di Shadow Blaster, che è stata identificata come la sorgente dei neutrini. All’interno del cerchio è raffigurata una rappresentazione artistica dell’aspetto reale di Shadow Blaster. Crediti: Mitos
L’analisi dettagliata della distribuzione energetica del gas molecolare ha rivelato che Shadow Blaster contiene un nucleo compatto dove una grande quantità di gas e polvere è racchiusa in una regione di soli 1500 anni luce. Questo ambiente estremamente denso può agire come un acceleratore naturale di particelle, in cui particelle energetiche collidono ripetutamente con il gas e producono neutrini. Perciò una popolazione di galassie con caratteristiche simili a Shadow Bluster potrebbe contribuire a una frazione significativa del fondo cosmico di neutrini. «La nostra analisi«, conclude Urata, «suggerisce che questa popolazione potrebbe contribuire fino a circa il 20 per cento dello fondo diffuso di neutrini osservato e misurato da IceCube».
Per saperne di più:
- Leggi su Nature Astronomy l’articolo “Compact dusty starbursts at cosmic noon linked to high-energy neutrinos“, di Yuji Urata, Kuiyun Huang, Bunyo Hatsukade, Mansi Kasliwal, Shigeo S. Kimura, Yuichi Matsuda, Yusuke Miyamoto, Hiroshi Nagai, Kouichiro Nakanishi e Robert Stein
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