La mappa cosmica delle particelle ad altissima energia indica tesori nascosti da tempo
I raggi cosmici ad altissima energia ruotano e si dirigono verso la Terra, il che ha reso quasi impossibile identificare i mostri colossali che li creano.
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Negli anni '30, il fisico francese Pierre Auger posizionò i contatori Geiger lungo una cresta delle Alpi e osservò che a volte scattavano spontaneamente allo stesso tempo, anche quando si trovavano a una distanza di 300 metri. Sapeva che i clic coincidenti provenivano da raggi cosmici, particelle cariche dallo spazio che sbattono contro le molecole d'aria nel cielo, innescando piogge di particelle che piovono al suolo. Ma Auger si rese conto che affinché i raggi cosmici innescassero il tipo di enormi piogge che stava vedendo, devono trasportare quantità fantastiche di energia – così tanto che, scrisse nel 1939, "è effettivamente impossibile immaginare un singolo processo in grado di dare a un particella una tale energia. "
Dopo aver costruito matrici più grandi di contatori Geiger e altri tipi di rilevatori, i fisici hanno appreso che i raggi cosmici raggiungono energie almeno 100.000 volte superiori a quanto ipotizzato da Auger.
Un raggio cosmico è solo un nucleo atomico: un protone o un ammasso di protoni e neutroni. Eppure i rari raggi cosmici conosciuti come "ultra-alta energia" hanno tanta energia quanto le palline da tennis servite professionalmente. Sono milioni di volte più energici dei protoni che sfrecciano intorno al tunnel circolare del Large Hadron Collider in Europa al 99,9999991% della velocità della luce. In effetti, il raggio cosmico più energico mai rilevato, soprannominato la "particella Oh-My-God", ha colpito il cielo nel 1991 andando a qualcosa come il 99,99999999999999999999951% della velocità della luce, dandogli all'incirca l'energia di una palla da bowling caduta dalla spalla altezza su una punta. "Dovresti costruire un collisore grande quanto l'orbita del pianeta Mercurio per accelerare i protoni alle energie che vediamo", ha detto Ralph Engel , astrofisico presso l'Istituto di tecnologia di Karlsruhe in Germania e il co-leader del più grande del mondo osservatorio dei raggi cosmici, l'Osservatorio Pierre Auger in Argentina.
La domanda è: cosa c'è là fuori nello spazio che sta accelerando?
Si ritiene ora che le esplosioni di supernova siano in grado di produrre i raggi cosmici sorprendentemente energetici che Auger osservò per la prima volta 82 anni fa. Le supernove non possono produrre le particelle molto più sorprendenti che sono state viste da allora. Le origini di questi raggi cosmici ad altissima energia rimangono incerte. Ma una serie di recenti progressi ha notevolmente ridotto la ricerca.
Nel 2017, l'Osservatorio Auger ha annunciato un'importante scoperta . Con i suoi 1.600 rilevatori di particelle e 27 telescopi che punteggiano una zona di prateria argentina delle dimensioni di Rhode Island, l'osservatorio ha registrato gli acquazzoni d'aria di centinaia di migliaia di raggi cosmici ad altissima energia negli ultimi 13 anni. Il team ha riferito che il 6% in più dei raggi proviene da una metà del cielo rispetto all'altra, il primo modello mai rilevato in modo definitivo nelle direzioni di arrivo dei raggi cosmici.
Di recente, tre teorici della New York University hanno offerto un'elegante spiegazione per lo squilibrio che gli esperti considerano altamente convincente. Il nuovo articolo , di Chen Ding , Noémie Globus e Glennys Farrar , implica che gli acceleratori di raggi cosmici ultrapotenti sono onnipresenti, cosmicamente parlando, piuttosto che rari.
Anche l'Auger Observatory e il Telescope Array nello Utah hanno rilevato "punti caldi" dei raggi cosmici più piccoli e sottili nel cielo, presumibilmente le posizioni delle sorgenti vicine. Alcuni oggetti candidati si trovano nelle posizioni giuste.
Altri indizi sono arrivati sotto forma di neutrini superenergici, prodotti da raggi cosmici ad altissima energia. Collettivamente, le recenti scoperte hanno concentrato la ricerca dei potenti acceleratori dell'universo su tre principali contendenti. Ora, i teorici sono impegnati a modellare questi oggetti astrofisici per vedere se sono davvero in grado di lanciare particelle abbastanza veloci verso di noi e, in tal caso, come.
Queste speculazioni sono nuove di zecca e non vincolate da alcun dato. "Se vai a energie elevate, le cose sono davvero inesplorate", ha detto Engel. "Vai davvero da qualche parte dove tutto è vuoto."
Un bel squilibrio
Per sapere cosa produce i raggi cosmici ad altissima energia, il primo passo è vedere da dove provengono. Il problema è che, poiché le particelle sono caricate elettricamente, non viaggiano qui in linea retta; i loro percorsi si piegano mentre attraversano i campi magnetici.
Inoltre, le particelle ad altissima energia sono rare e colpiscono ogni chilometro quadrato del cielo terrestre solo una volta all'anno. Identificare qualsiasi modello nelle loro direzioni di arrivo richiede di estrarre sottili squilibri statistici da un enorme set di dati.
Nessuno sapeva quanti dati sarebbero stati necessari prima che i modelli emergessero. I fisici hanno trascorso decenni a costruire array di rivelatori sempre più grandi senza vedere nemmeno un accenno di uno schema. Poi, all'inizio degli anni '90, l'astrofisico scozzese Alan Watson e il fisico americano Jim Cronin decisero di fare davvero le cose in grande. Si imbarcarono in quello che sarebbe diventato l'Osservatorio Auger di 3.000 chilometri quadrati.
Infine, è stato sufficiente. Quando il team Auger ha riferito su Science nel 2017 di aver rilevato uno squilibrio del 6% tra due metà del cielo – dove un eccesso di particelle da una particolare direzione nel cielo è passato dolcemente in un deficit centrato nella direzione opposta – "quello era incredibilmente eccitante ", ha detto Watson. "Ho lavorato in questo campo per un tempo molto, molto lungo" – dagli anni '60 – "e questa è la prima volta che abbiamo un'anisotropia".
Ma i dati erano anche sconcertanti. La direzione dell'eccesso di raggi cosmici non era neanche lontanamente vicina al centro della galassia Via Lattea, supportando l'ipotesi di vecchia data che i raggi cosmici ad altissima energia provengano dall'esterno della galassia. Ma non era neanche lontanamente niente. Non corrispondeva alla posizione di qualche potente oggetto astrofisico come un buco nero supermassiccio in una galassia vicina. Non era l'ammasso della Vergine, la densa concentrazione di galassie nelle vicinanze. Era solo un punto scuro e opaco vicino alla costellazione del Canis Major.
Noémie Globus, allora postdoc presso l'Università Ebraica di Gerusalemme, vide immediatamente un modo per spiegare il modello. Ha iniziato facendo una semplificazione: che ogni pezzetto di materia nell'universo ha la stessa probabilità di produrre un piccolo numero di raggi cosmici ad altissima energia. Ha quindi mappato come quei raggi cosmici si piegherebbero leggermente mentre emanano da galassie, gruppi di galassie e ammassi vicini – noti collettivamente come la struttura su larga scala del cosmo – e viaggiano qui attraverso i deboli campi magnetici dello spazio intergalattico. Naturalmente, la sua finta mappa era solo un'immagine sfocata della struttura su larga scala stessa, con la più alta concentrazione di raggi cosmici provenienti dalla Vergine.
Il suo eccesso di raggi cosmici non era nella posizione giusta per spiegare i dati di Auger, ma pensava di sapere perché: perché non aveva adeguatamente rappresentato il campo magnetico della Via Lattea. Nel 2019, Globus si è trasferita alla New York University per lavorare con l'astrofisico Glennys Farrar, il cui modello del 2012 del campo magnetico della Via Lattea, sviluppato con la sua allora studentessa Ronnie Jansson, rimane lo stato dell'arte. Sebbene nessuno capisca ancora perché il campo magnetico della galassia sia modellato così com'è, Farrar e Jansson ne hanno dedotto la geometria da 40.000 misurazioni di luce polarizzata. Hanno accertato che le linee del campo magnetico si estendono sia in senso orario che antiorario lungo i bracci a spirale della galassia ed emanano verticalmente dal disco galattico, torcendosi mentre si alzano.
Lo studente laureato di Farrar Chen Ding ha scritto un codice che raffinava la mappa di Globus dei raggi cosmici ad altissima energia provenienti dalla struttura su larga scala, quindi ha passato questo input attraverso la lente distorcente del campo magnetico galattico come modellato da Farrar e Jansson. "Ed ecco che otteniamo questo straordinario accordo con le osservazioni", ha detto Farrar.
I raggi cosmici originati dalla Vergine si piegano nelle linee di campo tortuose della galassia in modo che ci colpiscano dalla direzione del Canis Major, dove Auger vede il centro del suo eccesso. I ricercatori hanno analizzato come il modello risultante cambierebbe per i raggi cosmici di energie diverse. Hanno costantemente trovato una stretta corrispondenza con diversi sottoinsiemi di dati di Auger.
Il "modello continuo" dei ricercatori delle origini dei raggi cosmici ad altissima energia è una semplificazione: ogni pezzo di materia non emette raggi cosmici ad altissima energia. Ma il suo sorprendente successo rivela che le sorgenti effettive dei raggi sono abbondanti e si diffondono uniformemente in tutta la materia, tracciando la struttura su larga scala. Lo studio , che apparirà su The Astrophysical Journal Letters , ha raccolto elogi diffusi. "Questo è davvero un passo fantastico", ha detto Watson.
Immediatamente, alcune scorte sono aumentate: in particolare, tre tipi di oggetti candidati che infilano l'ago dell'essere relativamente comuni nel cosmo ma potenzialmente abbastanza speciali da produrre particelle di Oh-Mio-Dio.
Icarus Stars
Nel 2008, Farrar e un coautore hanno proposto che i cataclismi chiamati eventi di interruzione delle maree (TDE) potrebbero essere la fonte dei raggi cosmici ad altissima energia.
Un TDE si verifica quando una stella tira un Icaro e si avvicina troppo a un buco nero supermassiccio. La parte anteriore della stella sente tanta più gravità della sua schiena che la stella viene ridotta in mille pezzi e vortica nell'abisso. Il vortice dura circa un anno. Finché dura, due getti di materiale – i brandelli subatomici della stella disgregata – escono dal buco nero in direzioni opposte. Le onde d'urto e i campi magnetici in questi raggi potrebbero quindi cospirare per accelerare i nuclei a energie ultraelevate prima di lanciarli nello spazio.
Gli eventi di perturbazione delle maree si verificano all'incirca una volta ogni 100.000 anni in ogni galassia, che è l'equivalente cosmologico di accadere ovunque tutto il tempo. Poiché le galassie tracciano la distribuzione della materia, i TDE potrebbero spiegare il successo del modello continuo di Ding, Globus e Farrar.
Inoltre, il lampo relativamente breve di un TDE risolve altri enigmi. Quando il raggio cosmico di un TDE ci raggiungerà, il TDE sarà stato buio per migliaia di anni. Altri raggi cosmici dallo stesso TDE potrebbero prendere percorsi piegati separati; alcuni potrebbero non arrivare per secoli. La natura transitoria di un TDE potrebbe spiegare perché sembra esserci così poco schema nelle direzioni di arrivo dei raggi cosmici, senza forti correlazioni con le posizioni degli oggetti conosciuti. "Sono propenso ora a credere che siano transitori, per lo più", ha detto Farrar delle origini dei raggi.
L'ipotesi TDE ha avuto un altro impulso di recente, da un'osservazione riportata su Nature Astronomy a febbraio.
Robert Stein , uno degli autori dell'articolo, stava gestendo un telescopio in California chiamato Zwicky Transient Factory nell'ottobre 2019 quando è arrivato un allarme dall'osservatorio dei neutrini IceCube in Antartide. IceCube aveva individuato un neutrino particolarmente energico. I neutrini ad alta energia vengono prodotti quando i raggi cosmici di energia ancora più elevata disperdono la luce o la materia nell'ambiente in cui vengono creati. Fortunatamente, i neutrini, essendo neutri, viaggiano verso di noi in linea retta, quindi puntano direttamente alla sorgente del loro raggio cosmico genitore.
Stein ruotò il telescopio nella direzione di arrivo del neutrino di IceCube. "Abbiamo immediatamente visto che si è verificato un evento di interruzione della marea dalla posizione da cui era arrivato il neutrino", ha detto.
La corrispondenza rende più probabile che i TDE siano almeno una fonte di raggi cosmici ad altissima energia. Tuttavia, l'energia del neutrino era probabilmente troppo bassa per dimostrare che i TDE producono i raggi di altissima energia. Alcuni ricercatori si chiedono fortemente se questi transitori possano accelerare i nuclei fino all'estremità estrema dello spettro di energia osservato; i teorici stanno ancora esplorando come gli eventi potrebbero accelerare le particelle in primo luogo.
Nel frattempo, altri fatti hanno rivolto altrove l'attenzione di alcuni ricercatori.
Starburst Superwinds
Gli osservatori di raggi cosmici come Auger e il Telescope Array hanno anche trovato alcuni punti caldi – concentrazioni piccole e sottili nelle direzioni di arrivo dei raggi cosmici di altissima energia. Nel 2018, Auger ha pubblicato i risultati di un confronto dei suoi punti caldi con le posizioni di oggetti astrofisici entro poche centinaia di milioni di anni luce da qui. (I raggi cosmici provenienti da più lontano perderebbero troppa energia nelle collisioni a metà viaggio.)
Nel contesto della correlazione incrociata, nessun tipo di oggetto ha funzionato eccezionalmente bene, comprensibilmente, data l'esperienza della deflessione dei raggi cosmici. Ma la correlazione più forte ha sorpreso molti esperti: circa il 10% dei raggi proveniva da 13 gradi entro le direzioni delle cosiddette "galassie starburst". "All'inizio non erano nel mio piatto", ha detto Michael Unger del Karlsruhe Institute of Technology, un membro del team Auger.
Nessuno era più entusiasta di Luis Anchordoqui , un astrofisico del Lehman College della City University di New York, che ha proposto le galassie starburst come origine dei raggi cosmici ad altissima energia nel 1999. "Posso essere un po 'di parte su queste cose perché io era quello che proponeva il modello a cui ora puntano i dati ", ha detto.
Le galassie Starburst producono costantemente molte stelle enormi. Le stelle massicce vivono velocemente e muoiono giovani nelle esplosioni di supernova, e Anchordoqui sostiene che il "super vento" formato dalle onde d'urto collettive di tutte le supernove è ciò che accelera i raggi cosmici alle velocità sbalorditive che rileviamo.
Non tutti sono sicuri che questo meccanismo funzionerà. "La domanda è: quanto sono veloci quegli shock?" ha detto Frank Rieger , astrofisico presso l'Università di Heidelberg. “Dovrei aspettarmi che quelli vadano alle più alte energie? Al momento ne dubito. "
Altri ricercatori sostengono che gli oggetti all'interno delle galassie starburst potrebbero agire come acceleratori di raggi cosmici e che lo studio della correlazione incrociata sta semplicemente rilevando un'abbondanza di questi altri oggetti. "Essendo una persona che pensa agli eventi transitori come una fonte naturale, quelli sono molto arricchiti nelle galassie starburst, quindi non ho problemi", ha detto Farrar.
Galassie attive
Nello studio di correlazione incrociata, un altro tipo di oggetto ha funzionato quasi ma non esattamente come le galassie starburst: oggetti chiamati nuclei galattici attivi o AGN.
Gli AGN sono i centri incandescenti delle galassie "attive", in cui il plasma avvolge il buco nero supermassiccio centrale. Il buco nero risucchia il plasma mentre lancia enormi getti di lunga durata.
I membri ad alta potenza di un sottoinsieme particolarmente luminoso chiamato AGN "radio-rumorosi" sono gli oggetti persistenti più luminosi nell'universo, quindi sono da tempo i principali candidati per la fonte dei raggi cosmici ad altissima energia.
Tuttavia, questi potenti AGN ad alto volume radio sono troppo rari nel cosmo per superare i test di Ding, Globus e Farrar: non potrebbero essere traccianti per la struttura su larga scala. In effetti, nel nostro quartiere cosmico, non ce ne sono quasi nessuno. "Sono belle fonti, ma non nel nostro cortile", ha detto Rieger.
Gli AGN ad alto volume radio meno potenti sono molto più comuni e potrebbero potenzialmente assomigliare al modello continuo. Centaurus A, ad esempio, l'AGN più vicino ad alto volume radio, si trova proprio nel punto caldo più importante dell'Osservatorio Auger. (Così fa una galassia starburst.)
Per molto tempo Rieger e altri specialisti hanno lottato seriamente per ottenere AGN a bassa potenza per accelerare i protoni a livelli di particelle Oh-My-God. Ma una recente scoperta li ha riportati "di nuovo in gioco", ha detto.
Gli astrofisici sanno da tempo che circa il 90% di tutti i raggi cosmici sono protoni (cioè nuclei di idrogeno); un altro 9% sono nuclei di elio. I raggi possono essere nuclei più pesanti come l'ossigeno o persino il ferro, ma gli esperti a lungo hanno ritenuto che questi sarebbero stati lacerati dai processi violenti necessari per accelerare i raggi cosmici ad altissima energia.
Quindi, in sorprendenti scoperte all'inizio degli anni 2010, gli scienziati dell'Osservatorio Auger hanno dedotto dalle forme delle docce d'aria che i raggi di energia ultraelevata sono per lo più nuclei di peso medio, come carbonio, azoto e silicio. Questi nuclei raggiungeranno la stessa energia dei protoni viaggiando a velocità inferiori. E questo, a sua volta, rende più facile immaginare come potrebbero funzionare gli acceleratori cosmici candidati.
Ad esempio, Rieger ha identificato un meccanismo che consentirebbe agli AGN a bassa potenza di accelerare i raggi cosmici più pesanti a energie ultraelevate: una particella potrebbe spostarsi da un lato all'altro nel getto di un AGN, ricevendo calci ogni volta che rientra nella parte più veloce del flusso. "In quel caso scoprono di poterlo fare con le sorgenti radio a bassa potenza", ha detto Rieger. "Quelli sarebbero molto di più nel nostro cortile."
Un altro articolo ha esplorato se gli eventi di interruzione delle maree avrebbero prodotto naturalmente nuclei di peso medio. "La risposta è che potrebbe accadere se le stelle che vengono distrutte sono nane bianche", ha detto Cecilia Lunardini , astrofisica dell'Arizona State University, coautrice dell'articolo. "Le nane bianche hanno questo tipo di composizione: carbonio, azoto." Naturalmente, i TDE possono capitare a qualsiasi "stella sfortunata", ha detto Lunardini. "Ma ci sono molte nane bianche, quindi non la vedo come qualcosa di molto artificioso."
I ricercatori continuano a esplorare le implicazioni dei raggi cosmici a più alta energia sul lato pesante. Ma possono concordare sul fatto che rende più facile il problema di come accelerarli. "La composizione pesante verso una maggiore energia rilassa le cose molto di più", ha detto Rieger.
Fonte primaria
Man mano che l'elenco ristretto di acceleratori candidati si cristallizza, la ricerca della risposta giusta continuerà ad essere guidata da nuove osservazioni. Tutti sono entusiasti per AugerPrime, un osservatorio aggiornato; a partire dalla fine dell'anno, identificherà la composizione di ogni singolo evento di raggi cosmici, piuttosto che stimarne la composizione complessiva. In questo modo, i ricercatori possono isolare i protoni, che deviano meno nel loro cammino verso la Terra, e guardare indietro alle loro direzioni di arrivo per identificare le singole sorgenti. (Queste fonti presumibilmente produrrebbero anche i nuclei più pesanti.)
Molti esperti sospettano che un mix di sorgenti possa contribuire allo spettro dei raggi cosmici ad altissima energia. Ma generalmente si aspettano che un tipo di sorgente domini e che solo uno raggiunga l'estremità estrema dello spettro. "I miei soldi sono su che è solo uno", ha detto Unger.
Nota del redattore: Noémie Globus è attualmente affiliata a ELI Beamlines nella Repubblica Ceca e al Flatiron Institute di New York. Il Flatiron Institute è finanziato dalla Simons Foundation, che finanzia anche questa rivista editoriale indipendente. L'affiliazione con la Fondazione Simons non ha alcuna incidenza sulla nostra copertura .
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Questa è la traduzione automatica di un articolo pubblicato su Quanta Magazine all’URL https://www.quantamagazine.org/high-energy-cosmic-ray-sources-mapped-out-for-the-first-time-20210427/ in data Tue, 27 Apr 2021 15:46:27 +0000.