Raggi cosmici galattici: la fonte è nelle pulsar?

I raggi cosmici galattici sono creati all’interno della nostra galassia, la Via Lattea. Sono costituiti principalmente da particelle cariche, cioè protoni, ioni, positroni ed elettroni che vengono accelerati in condizioni estreme e arrivano sulla Terra carichi di alta energia.

Poiché i fotoni, o particelle di luce, vengono creati durante il processo di accelerazione, i raggi gamma possono anche fornire indizi sulla natura degli acceleratori cosmici.

Il primo passo verso la comprensione di questo fenomeno fu fatto nel 1912, quando i raggi cosmici furono scoperti dal fisico austriaco Victor Franz Hess. Le particelle cariche vengono deviate nel loro lungo viaggio verso la Terra, dai campi magnetici interstellari. La ricerca sull’origine dei raggi cosmici si concentra quindi sulle particelle non cariche come i fotoni o i neutrini, in quanto arrivano direttamente sulla Terra e possono darci indizi sul loro luogo di origine.

Raggi cosmici galattici, la ricerca dell’origine

Alison Mitchell è uno dei principali scienziati al mondo per la ricerca sui fotoni ad alta energia provenienti dallo spazio, noti come raggi gamma.

“Non si sa ancora da dove provengano i raggi cosmici, e se provengano da una o più popolazioni di sorgenti. I candidati più promettenti includono i resti di supernova, l’area intorno alle stelle di neutroni rotanti, o pulsar, e i buchi neri. Molti colleghi tendono a privilegiare i resti di supernova, ma gli esperimenti finora non sono riusciti a fornire una prova inequivocabile che questo sia il caso“. Asserisce la dottoressa Mitchell in un comunicato.

Tempo fa ha avuto luogo un’esplosione stellare che ha reso più bassa l’accelerazione. Inoltre, le indagini teoriche non sono ancora riuscite a fornire prove convincenti che le particelle nei resti di supernova possano essere accelerate ai livelli di energia estremamente elevati che si trovano nei raggi cosmici. Gli scienziati stanno quindi cercando altre spiegazioni. Diversi gruppi di ricerca, per esempio in Francia, Polonia e Stati Uniti, stanno lavorando su modelli teorici che indicano che i raggi cosmici galattici hanno origine nella zona intorno alle pulsar.

Le pulsar sono stelle di neutroni, che emettono ad intervalli regolari ma brevi, segnali radio. Il termine significa pulsating radio source (radiosorgente pulsante), e rappresenta un fenomeno dovuto alla velocità elevata di rotazione di una stella, che emette radiazioni nella direzione del suo asse magnetico. Quando l’asse magnetico e quello di rotazione non coincidono, il flusso delle radiazioni investe la terra ad ogni giro come fosse un faro.

Un passo indietro

È stato dimostrato solo nel 2019 che le nebulose di vento delle pulsar sono in grado di accelerare positroni ed elettroni a livelli di energia di 1015 elettronvolt. Ne consegue che i componenti principali dei raggi cosmici galattici, in altre parole protoni e ioni, possono anche provenire dalla zona intorno a una pulsar.

Nel suo lavoro alla FAU, la dottoressa Mitchell spera ora di fornire la prova sperimentale anticipata che i protoni sono accelerati dalle pulsar e dalla zona intorno ad esse.  “Per quanto ne so, il vasto programma di ricerca che stiamo pianificando è l’unico al mondo nel suo genere“, ha affermato.

I telescopi aiutano la ricerca

Poiché le particelle ad alta energia sono difficili da trovare usando i satelliti, i ricercatori stanno usando l’atmosfera terrestre come rivelatore. I telescopi Cherenkov intercettano il debole bagliore che viene emesso quando un fotone dei raggi gamma si scontra con l’atmosfera terrestre. I cinque telescopi dell’osservatorio HESS in Namibia tracciano con precisione la direzione dei raggi gamma.

Alison Mitchell e altri ricercatori della FAU sono anche coinvolti nel grande progetto internazionale per costruire un osservatorio a terra per l’astronomia dei raggi gamma conosciuto come Cherenkov Telescope Array (CTA). “Con il progredire del progetto, altri telescopi CTA con una risoluzione più alta e un campo visivo più ampio saranno eretti a La Palma nelle isole Canarie e in Cile“, spiega la Dr. Mitchell nel documento.

“Gli algoritmi  – continua – saranno utilizzati per migliorare la risoluzione dei telescopi. Attualmente, i ricercatori stanno anche lavorando su nuovi metodi per rilevare sorgenti di raggi gamma distribuite su un’area più ampia.

Mitchell ritiene che grazie alla sua posizione di leader nel campo dell’astrofisica teorica e dell’astronomia di neutrini, raggi X e raggi gamma, la FAU offra una gamma molto ampia di possibili strade per il suo progetto.

“È estremamente probabile che sia le supernove che le pulsar siano responsabili dei raggi cosmici galattici, ma credo che le pulsar possano accelerare le particelle ad energie migliaia di volte superiori a quelle raggiunte dai resti di supernova“.