Elettroni, protoni, nuclei di atomi pesanti: l’universo è solcato da un numero enorme di particelle ad altissima energia. Raggi cosmici, è così che li chiamano gli addetti ai lavori. In prossimità di oggetti celesti estremi, come resti di supernova, pulsar e buchi neri, queste particelle cariche possono essere accelerate a velocità prossime a quella della luce e scagliate lontano dal luogo d’origine. Lungo il loro viaggio nello spazio interstellare, possono interagire con la materia e con i campi magnetici circostanti, producendo radiazione gamma ad altissima energia, miliardi di volte più energetica della luce visibile.
Negli ultimi anni, facility come Lhaaso (Large High Altitude Air Shower Observatory) – uno dei più grandi e sensibili osservatori al mondo per lo studio dei raggi cosmici e dei raggi gamma – hanno individuato numerose sorgenti di raggi gamma ad altissima energia. Per alcune di esse, tuttavia, non è stato possibile identificare nelle vicinanze un oggetto astronomico in grado di spiegare l’origine dell’emissione. Sorgenti “orfane”, è così che le chiamano gli astrofisici. Ciò non vuol dire che i raggi gamma non abbiano una controparte astronomica. Piuttosto, significa che le particelle sono state trasportate così lontano dal loro sito di accelerazione da produrre raggi gamma rilevabili solo in una regione molto distante dal luogo d’origine, rendendo difficile individuare l’oggetto celeste che le ha prodotte.
Vista a più lunghezze d’onda di J1740+1000. A sinistra, in rosso, è rappresentata la porzione della coda a raggi X della nebulosa a vento della pulsar osservata dal satellite Xmm-Newton. A destra, in blu, è mostrata l’intera coda nei raggi X osservata da Einstein Probe. In viola è indicata l’emissione di raggi gamma ad altissima energia rilevata da Lhaaso. Sebbene il tempo di osservazione di Xmm-Newton sia stato più di sei volte superiore a quello di Einstein Probe, il satellite ha rilevato solo una piccola parte della coda. (Crediti: Y.-H. Chi et al.)
L’individuazione di una lunga coda di raggi X coincidente spazialmente con un’emissione di raggi gamma “orfana” ha ora permesso di seguire le tracce di queste particelle ad alta energia attraverso lo spazio interstellare e di collegare l’emissione gamma apparentemente priva di una sorgente alla pulsar da cui i raggi cosmici hanno avuto origine.
Lo studio, condotto da un team di ricerca guidato dall’Accademia delle scienze cinese e dall’Università di Nanchino, fornisce solide evidenze del fatto che i raggi cosmici possano mantenere a lungo una direzione preferenziale dopo aver lasciato i luoghi in cui sono stati accelerati. Un risultato, questo, che mette in discussione l’ipotesi a lungo sostenuta secondo cui le particelle ad alta energia dopo l’accelerazione si diffondessero rapidamente in tutte le direzioni. La ricerca fornisce inoltre nuove evidenze osservative per comprendere come i raggi cosmici sfuggano dai loro siti di accelerazione e si propaghino attraverso lo spazio interstellare, offrendo una nuova chiave di lettura per alcune sorgenti gamma che non presentano una chiara controparte astronomica.
Al centro della ricerca, pubblicata lunedì scorso sulla rivista Science China: Physics, Mechanics & Astronomy, c’è Psr j1740+1000, una pulsar con un’età stimata di 114mila anni e un periodo di rotazione di 154 millisecondi, distante circa 4600 anni luce dalla Terra. Osservazioni precedenti effettuate con il telescopio spaziale a raggi X Xmm-Newton avevano individuato una coda di emissione X lunga alcuni anni luce estendersi dalla pulsar. Le nuove osservazioni, condotte nell’ambito di questo studio con il Follow-up X-ray Telescope (Fxt) a bordo del satellite cinese Einstein Probe, hanno tuttavia permesso di rivelarne un’estensione molto maggiore. In circa 70mila secondi di osservazione, Einstein Probe ha infatti seguito la struttura fino a circa 32 minuti d’arco dalla pulsar, corrispondenti a circa 42 anni luce. Si tratta, spiegano i ricercatori, della più lunga coda di raggi X mai osservata associata a una nebulosa a vento di pulsar, com’è chiamata la nube di particelle che avvolge la stella di neutroni, alimentata dal vento che essa stessa produce.
L’aspetto più significativo della ricerca è però un altro. Come parte di una campagna osservativa congiunta, anche il Large High Altitude Air Shower Observatory (Lhaaso) ha osservato questa regione di cielo, rilevando una sorgente di raggi gamma ad altissima energia che si estende nella stessa direzione della coda di raggi X: una corrispondenza spaziale tutt’altro che casuale. Ciò che emerge dall’analisi degli spettri X e gamma è infatti che le proprietà delle due emissioni possono essere spiegate dalla stessa popolazione di raggi cosmici.
L’ipotesi dei ricercatori è che queste particelle abbiano acquisito energie molto elevate nei pressi della nebulosa a vento della pulsar. Mentre si propagavano lungo la coda, hanno interagito con i campi magnetici ed emesso radiazione di sincrotrone, parte della quale è stata rilevata dalla sonda Einstein Probe sotto forma di raggi X. Gli stessi elettroni potrebbero inoltre aver interagito con i fotoni a bassa energia presenti nello spazio, trasferendo loro parte della propria energia e portandoli così a energie estremamente elevate, fino a produrre i raggi gamma ad altissima energia rilevati da Lhaaso.
I raggi X e gamma rilevati sarebbero, in pratica, due impronte diverse lasciate dalla stessa popolazione di particelle durante il loro viaggio nello spazio. La loro distribuzione spaziale e le proprietà spettrali risultano compatibili con questo scenario, fornendo un forte indizio del fatto che la struttura simile a una coda cometaria osservata sia effettivamente il risultato della propagazione delle particelle energetiche lontano dalla pulsar.
Questo risultato solleva tuttavia una domanda: come possono queste particelle accelerate mantenere una direzione di propagazione così ben definita per una distanza così elevata, pari, come dicevamo, a 42 anni luce, equivalenti a circa 400mila miliardi di chilometri?
Quando si parla di movimento di particelle cariche nel mezzo interstellare, tipicamente gli scienziati assumono che queste vengano continuamente deviate dalle irregolarità dei campi magnetici, tendendo a diffondersi nello spazio in modo isotropico, cioè in tutte le direzioni. In questo studio, le osservazioni indicano però che, anche dopo decine di anni luce, le particelle si muovono ancora in modo anisotropico, conservando una direzione di moto privilegiata.
Per spiegare questa “anomalia” nella diffusione, i ricercatori propongono due ipotesi alternative. La prima è che le linee del campo magnetico interstellare siano talmente ordinate da consentire alle particelle di muoversi lungo la direzione del campo, limitandone il moto perpendicolare e creando così una sorta di «binario magnetico». La seconda ipotesi prevede invece che un flusso veloce e collimato venga espulso continuamente in una direzione, trasportando le particelle ad alta energia molto lontano, un po’ come fa l’acqua che fuoriesce da un idrante.
Non è ancora possibile stabilire quale dei due meccanismi sia dominante, sottolineano i ricercatori. Entrambi, tuttavia, indicano che le particelle ad alta energia possono conservare per decine di anni luce una direzione di propagazione, invece di disperdersi rapidamente in tutte le direzioni nello spazio interstellare.
Come accennato in apertura, lo studio offre una nuova prospettiva per interpretare le sorgenti di raggi gamma “orfane”, prive cioè di una controparte astronomica evidente. In questo senso, il luogo in cui si osserva la radiazione potrebbe essere semplicemente l’impronta lasciata dalle particelle lungo il loro viaggio, e non il loro “luogo di nascita”. Come sottolineano Gabriele Ponti, Heshou Zhang e Giulia Brunelli dell’Inaf nella News & Views “Tracing the escape of extreme particles from a pulsar wind nebula” di commento all’articolo in questione, «il significato di questa scoperta va oltre il caso di Psr J1740+1000: la separazione spaziale tra una sorgente di raggi gamma ad altissima energia e la sua possibile controparte astronomica non implica necessariamente che le due non siano fisicamente associate. Potrebbe invece rappresentare la traccia del percorso seguito dalle particelle dopo aver lasciato il loro sito di accelerazione».
Per saperne di più:
- Leggi su Science China: Physics, Mechanics & Astronomy l’articolo “Anisotropic particle transport from a pulsar wind nebula revealed by Einstein Probe and LHAASO” di Zhen Cao et al.
- Leggi su Science China: Physics, Mechanics & Astronomy la News&Views “Tracing the escape of extreme particles from a pulsar wind nebula”, di Gabriele Ponti, Heshou Zhang e Giulia Brunelli