IceCube individua un neutrino che rivela un acceleratore di particelle naturale

Il neutrino in questione ha iniziato il suo lungo viaggio circa 700 milioni di anni fa. Questo è stato il tempo di viaggio necessario alla particella fantasma per giungere dalla lontana galassia catalogata come 2MASX J20570298 + 1412165 nella costellazione Delphinus fin sul nostro pianeta

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Gli scienziati chiamano “particella fantasma” il neutrino, una particella subatomica che viene prodotta dalle reazioni nucleari e che interagisce debolmente con la materia. Grazie a questa particella fantasma è stato scoperto un acceleratore di particelle naturale che emette particelle nello spazio interstellare.

L’acceleratore di particelle naturale scoperto, altro non è che un gigantesco buco nero che ha distrutto la stella alla quale è stato ricondotto il neutrino captato sulla Terra.

La stella si è avvicinata troppo al buco nero supermassiccio al centro della sua galassia natale ed è stata lacerata dalla gravità colossale. È la prima particella fantasma che può essere ricondotta a un evento di interruzione delle maree (TDE) e fornisce la prova che queste catastrofi cosmiche poco conosciute possono funzionare come potenti acceleratori di particelle.

A riportare l’evento nella rivista Nature Astronomy il team guidato dallo scienziato di DESY Robert Stein. 

Le osservazioni dimostrano che si può esplorare l’universo studiando una combinazione di particelle “messaggero” come i fotoni che sono le particelle della luce e i neutrini, le sfuggenti particelle fantasma.



Il neutrino in questione ha iniziato il suo lungo viaggio circa 700 milioni di anni fa. Questo è il tempo di viaggio necessario alla particella fantasma per giungere dalla lontana galassia catalogata come 2MASX J20570298 + 1412165 nella costellazione Delphinus fin sul nostro pianeta.

I ricercatori hanno stimato la massa del buco nero supermassiccio pari a circa 30 milioni di masse solari, un oggetto con una forza di gravità spaventosa. Una stella in orbita attorno a un buco nero supermassiccio subisce quella che viene chiamata “interazione mareale”.

La faccia della stella più vicina al buco nero viene attirata con una forza maggiore della faccia opposta determinando un effetto di allungamento.

Come spiega Stein: “Questa differenza è chiamata forza di marea e man mano che la stella si avvicina, questo allungamento diventa più estremo. Alla fine strappa la stella e poi lo chiamiamo un evento di interruzione della marea. È lo stesso processo che porta alle maree oceaniche sulla Terra, ma fortunatamente per noi la Luna non tira abbastanza forte da distruggere la Terra”.

La metà dei resti della stella è stata scagliata nello spazio, mentre la restante metà si è trasformata in un disco di accrescimento attorno al buco nero super massiccio.

Il disco di accrescimento è simile al vortice d’acqua sopra lo scarico di una vasca da bagno. Prima di cadere oltre l’orizzonte degli eventi, la materia dal disco di accrescimento diventa sempre più calda emettendo radiazioni energetiche. Il bagliore emesso dal disco di accrescimento è stato rilevato per la prima volta dalla Zwicky Transient Facility (ZTF) sul Monte Palomar in California il 9 aprile 2019.

Il neutrino è stato intercettato sei mesi dopo l’emissione del bagliore, il 1 ° ottobre 2019 dal rilevatore di neutrini IceCube situato al Polo Sud. La particella fantasma proveniva dalla direzione dell’evento di interruzione della marea. 

“Si è schiantato contro il ghiaccio antartico con un’energia di oltre 100 teraelettronvolt”, spiega la coautrice Anna Franckowiak di DESY, che ora insegna all’Università di Bochum. “Per fare un confronto, è almeno dieci volte l’energia massima che può essere raggiunta nell’acceleratore di particelle più potente del mondo, il Large Hadron Collider del laboratorio europeo di fisica delle particelle al CERN di Ginevra”.

Perché il neutrino è una particella fantasma

I neutrini sono particelle estremamente leggere e interagiscono debolmente con la materia. Sono in grado di passare attraverso pianeti o stelle, e sono quindi spesso indicati come particelle fantasma. Quindi, anche osservare un solo neutrino ad alta energia è già un’osservazione notevole. 

L’analisi ha mostrato che questo particolare neutrino aveva solo una possibilità su 500 di essere coincidente con il TDE. La rilevazione ha portato a ulteriori osservazioni dell’evento con molti strumenti in tutto lo spettro elettromagnetico, dalle onde radio ai raggi X.

Iil primo neutrino collegato a l’evento di interruzione delle maree fornisce preziose prove. Il rilevamento del neutrino indica l’esistenza di un motore centrale nei pressi del disco di accrescimento, che emette particelle veloci. L’analisi combinata dei dati provenienti da telescopi radio, ottici e ultravioletti fornirà ulteriori prova che il TDE agisce come un gigantesco acceleratore di particelle.

Le osservazioni sono spiegate molto bene da un deflusso energetico di veloci getti di materia che fuoriescono dal sistema, che sono prodotti dal motore centrale e che durano per centinaia di giorni. Questo è ciò che spiega i dati osservativi, come Walter Winter, capo del gruppo di fisica teorica delle astroparticelle al DESY, e la sua collega teorica Cecilia Lunardini dell’Arizona State University, hanno mostrato in un modello teorico pubblicato nello stesso numero di Nature Astronomia.

Il buco nero supermassiccio emette diversi tipi di particelle, ma a parte neutrini e fotoni, le particelle sono caricate elettricamente e quindi deviate dai campi magnetici intergalattici durante il loro viaggio. Solo i neutrini che sono privi di carica elettrica possono viaggiare in linea retta come la luce dalla sorgente verso la Terra e diventare così preziosi messaggeri.

Questo tipo di osservazioni sono fondamentali, lo sottolinea anche il coautore Marek Kowalski, capo dell’astronomia dei neutrini al DESY e professore all’Università Humboldt di Berlino. “Senza il rilevamento dell’evento di interruzione della marea, il neutrino sarebbe solo uno dei tanti. E senza questa particella fantasma, l’osservazione dell’evento di interruzione della marea sarebbe solo uno dei tanti.

Solo combinando le osservazioni è possibile trovare il buco nero supermassiccio e imparare qualcosa sui processi interni. L’associazione del neutrino ad alta energia e dell’evento di perturbazione della marea è stata trovata da un sofisticato pacchetto software chiamato AMPEL, sviluppato appositamente da DESY per cercare correlazioni tra i neutrini IceCube e gli oggetti astrofisici rilevati dalla Zwicky Transient Facility.

La Zwicky Transient Facility è stata progettata per osservare centinaia di migliaia di stelle e galassie in un unico scatto e può osservare il cielo notturno in modo particolarmente veloce. Al centro c’è il telescopio Samuel-Oschin di 1,3 m di diametro. Grazie al suo ampio campo visivo, ZTF può scansionare l’intero cielo per tre notti, trovando più oggetti variabili e transitori rispetto a qualsiasi altro rilevamento ottico precedente.

Dal 2018 sono stati rilevati oltre 30 eventi di interruzione delle maree, più che raddoppiando il numero noto di tali oggetti

In futuro sarà possibile trovare molte più associazioni tra i neutrini ad alta energia e le loro fonti. È in costruzione una nuova generazione di telescopi che garantirà una maggiore sensibilità ai TDE e ad altre potenziali sorgenti di neutrini. Ancora più essenziale è l’estensione pianificata del rilevatore di neutrini IceCube, che aumenterebbe di almeno dieci volte il numero di rilevamenti di neutrini cosmici. 

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