Tre anni fa, gli scienziati hanno rilevato qualcosa di straordinario nelle profondità del Mar Mediterraneo: il neutrino cosmico più energetico mai osservato. La particella possedeva un’energia sorprendente di circa 220 PeV, oltre dieci volte superiore a quella dei neutrini ad alta energia rilevati in precedenza, e i ricercatori non sanno ancora con esattezza da dove provenga. Ora, un nuovo studio suggerisce che la particella potrebbe aver avuto origine dai blazar, alcuni degli oggetti più estremi dell’universo. I blazar sono nuclei galattici attivi alimentati da buchi neri supermassicci che emettono enormi getti di plasma direttamente verso la Terra.
Il neutrino è stato rilevato il 13 febbraio 2023 da KM3NeT/ARCA, un enorme osservatorio di neutrini situato al largo delle coste della Sicilia. È interessante notare che il rivelatore è ancora in costruzione e, al momento della scoperta, erano operative solo 21 linee di rilevamento, che rappresentavano circa il 10% della dimensione finale prevista per l’osservatorio. Anche con la sua configurazione parziale, il rivelatore ha captato un segnale diverso da qualsiasi altro mai visto prima dagli scienziati, dando il via a una sofisticata indagine astrofisica.
I ricercatori hanno affrontato il mistero in modo simile agli investigatori forensi che esaminano gli indizi sulla scena del crimine. Partendo da una possibile spiegazione, hanno creato delle simulazioni e confrontato i risultati con le osservazioni reali. Una delle ipotesi principali è che il neutrino provenga da una particolare classe di blazar capaci di accelerare le particelle a energie estreme, offrendo una svolta nella comprensione dell’universo ad alta energia.
Simulazione di uno sfondo cosmico diffuso e ricerca di segnali
Esistono diverse possibili spiegazioni per l’origine di questa particella, secondo Meriem Bendahman, ricercatrice presso l’INFN di Napoli e membro della collaborazione KM3NeT. È stato ipotizzato che tali neutrini vengano generati dall’interazione di raggi cosmici ad altissima energia con la radiazione cosmica di fondo a microonde, la luce residua dell’universo primordiale. Tuttavia, esiste anche la possibilità che il neutrino abbia origine da un flusso diffuso prodotto da una popolazione di acceleratori estremi, come i blazar.
In molti eventi cosmici, gli astronomi cercano una controparte elettromagnetica, come onde radio, luce visibile, raggi X o raggi gamma provenienti dalla stessa regione del cielo nello stesso momento in cui viene rilevato il neutrino. Ma in questo caso, gli scienziati non hanno trovato alcun segnale corrispondente. Questo non esclude completamente la possibilità di una sorgente puntiforme, ma porta i ricercatori a considerare che il neutrino potrebbe provenire da uno sfondo diffuso, ovvero da un flusso di neutrini che include contributi da molteplici sorgenti non risolte.
Questa possibilità ha spinto i ricercatori a ipotizzare che la particella possa essere emersa da una vasta popolazione di blazar piuttosto che da un singolo e drammatico evento cosmico. Per condurre l’indagine, il team ha utilizzato uno strumento di simulazione open source chiamato AM3 per modellare popolazioni di blazar realistiche. Molti aspetti delle simulazioni si basavano su valori già misurati tramite altre osservazioni, tra cui l’intensità del campo magnetico e le dimensioni delle regioni di emissione attorno ai buchi neri.
Regolazione dei parametri critici e combinazione dei dati osservativi
I ricercatori hanno principalmente modificato due fattori critici all’interno dei loro modelli. Il primo era il carico barionico, che misura quanta energia trasportano i protoni rispetto agli elettroni e aiuta a determinare quanti neutrini possono essere prodotti. Il secondo era l’indice spettrale dei protoni, che influenza la distribuzione delle energie dei protoni e la loro capacità di raggiungere livelli estremamente elevati. Per ogni simulazione, i ricercatori hanno calcolato sia la produzione di neutrini che la relativa emissione di raggi gamma, confrontando poi i risultati con i dati reali.
Lo studio ha combinato osservazioni provenienti da diversi importanti osservatori, tra cui KM3NeT/ARCA, l’Osservatorio di neutrini IceCube al Polo Sud e il telescopio spaziale Fermi per i raggi gamma della NASA. I ricercatori non si sono concentrati solo su ciò che questi strumenti avevano osservato, ma hanno anche preso in considerazione ciò che non era stato osservato. Ad esempio, nessun altro osservatorio di neutrini, incluso IceCube, ha rilevato eventi di energia ultraelevata simili in quel periodo.
Questa assenza di altri segnali suggerisce che particelle di questo tipo siano eccezionalmente rare, il che significa che qualsiasi spiegazione proposta deve anche tenere conto della mancanza di rilevamenti comparabili. Il modello dei blazar ha soddisfatto con successo tale vincolo. Il team ha anche verificato se la popolazione di blazar proposta producesse troppi raggi gamma rispetto al noto fondo di raggi gamma extragalattici misurato da Fermi, e i loro risultati sono rimasti pienamente coerenti con le osservazioni esistenti.
Validazione del modello dei blazar e sguardo alle osservazioni future
Alla fine, i ricercatori hanno scoperto che una popolazione realistica di blazar potrebbe plausibilmente spiegare lo straordinario evento dei neutrini. Hanno modellato una popolazione di blazar con parametri fisicamente motivati e hanno scoperto che questo gruppo potrebbe spiegare l’origine di questo evento ad altissima energia, pur essendo coerente con i vincoli che riguardano le osservazioni di raggi gamma e neutrini. Tuttavia, gli scienziati avvertono che sono ancora necessarie ulteriori prove prima che la spiegazione dei blazar possa essere confermata definitivamente.
Sono necessari più dati osservativi per solidificare questi risultati, poiché KM3NeT è ancora in fase di costruzione e ha rilevato questo neutrino ad altissima energia solo con una configurazione parziale. Con il rivelatore completo e più dati accumulati, la collaborazione sarà in grado di eseguire analisi statistiche molto più potenti. Questo aprirà una nuova finestra sull’universo dei neutrini ad altissima energia e aiuterà a individuare l’esatto luogo di nascita celeste di queste particelle.
Se le osservazioni future confermeranno la teoria, i risultati potrebbero rivoluzionare la comprensione scientifica del funzionamento dei blazar e del loro potenziale di potenza. L’umanità non ha mai osservato prima un neutrino di energia così elevata e, se si scoprisse che proviene da acceleratori cosmici come i blazar, fornirà informazioni del tutto nuove su come questi buchi neri supermassicci possano emettere particelle a energie di gran lunga superiori a quelle che ci si aspettava in precedenza.
Lo studio è stato pubblicato sul Journal of Cosmology and Astroparticle Physics (JCAP).
