I raggi cosmici sono particelle ad alta energia accelerate a velocità estreme prossime a quella della luce. Ci vuole un evento estremamente potente per inviare questi frammenti di materia in fiamme attraverso l’Universo.
Il mistero dei raggi cosmici
Gli astronomi teorizzano che i raggi cosmici vengano espulsi dalle esplosioni di supernova che segnano la morte delle stelle supergiganti. I dati recenti raccolti dal telescopio spaziale per raggi gamma Fermi mettono in dubbio questo metodo di produzione dei raggi cosmici e spingono gli astronomi a cercare una spiegazione.
Non è facile capire da dove provenga un raggio cosmico. La maggior parte dei raggi cosmici sono nuclei di idrogeno, altri sono protoni o elettroni volanti liberi. Si tratta di particelle cariche, il che significa che ogni volta che incontrano altra materia nell’Universo dotata di un campo magnetico, cambiano rotta, facendole zigzagare nello Spazio.
La direzione da cui proviene un raggio cosmico quando colpisce la Terra, quindi, non è probabilmente la direzione in cui è iniziato. Ma ci sono modi per rintracciare indirettamente la loro origine. Uno dei metodi più promettenti è l’osservazione dei raggi gamma (che viaggiano in linea retta, per fortuna).
I raggi gamma
Quando i raggi cosmici incontrano altri frammenti di materia, producono raggi gamma. Quindi, quando una supernova si spegne e invia raggi cosmici nell’Universo, dovrebbe anche inviare un segnale di raggi gamma per farci sapere che sta accadendo.
Le prove tuttavia non hanno corrisposto alle aspettative. Gli studi su supernove antiche e distanti mostrano che si verifica una certa produzione di raggi gamma, ma non così tanto come previsto. Gli astronomi hanno spiegato che la radiazione mancante è il risultato dell’età e della distanza delle supernove. Ma nel 2023, il telescopio Fermi ha catturato una nuova brillante supernova che si verificava nelle vicinanze.
Chiamata SN 2023ixf, la supernova è esplosa a soli 22 milioni di anni luce di distanza in una galassia chiamata Messier 101 (meglio conosciuta come la “Galassia Girandola”). E ancora una volta i raggi gamma erano vistosamente assenti.
“Gli astrofisici hanno precedentemente stimato che le supernovae convertono circa il 10% della loro energia totale in accelerazione dei raggi cosmici“, ha affermato Guillem Martí-Devesa, dell’Università di Trieste.
“Non abbiamo però mai osservato direttamente questo processo. Con le nuove osservazioni di SN 2023ixf, i nostri calcoli risultano in una conversione di energia pari all’1% entro pochi giorni dall’esplosione. Questo non esclude che le supernovae siano fabbriche di raggi cosmici, ma significa che abbiamo ancora molto da imparare sulla loro produzione”.
Cosa sono i raggi gamma?
I raggi gamma hanno le lunghezze d’onda più piccole e la maggiore energia di qualsiasi onda nello spettro elettromagnetico. Sono prodotti dagli oggetti più caldi ed energetici dell’universo, come stelle di neutroni e pulsar, esplosioni di supernova e regioni attorno ai buchi neri. Sulla Terra, le onde gamma sono generate da esplosioni nucleari, fulmini e dall’attività meno drammatica del decadimento radioattivo.
A differenza della luce ottica e dei raggi X, i raggi gamma non possono essere catturati e riflessi dagli specchi. Le lunghezze d’onda dei raggi gamma sono così corte che possono attraversare lo spazio all’interno degli atomi di un rilevatore. I rilevatori di raggi gamma contengono tipicamente blocchi di cristalli densamente imballati. Quando i raggi gamma lo attraversano, entrano in collisione con gli elettroni nel cristallo.
Questo processo è chiamato diffusione Compton, in cui un raggio gamma colpisce un elettrone e perde energia, simile a ciò che accade quando una bilia battente colpisce una bilia otto. Queste collisioni creano particelle cariche che possono essere rilevate dal sensore.
I lampi di raggi gamma sono gli eventi elettromagnetici più energetici e luminosi dai tempi del Big Bang e possono rilasciare più energia in 10 secondi di quanta il nostro Sole ne emetterà in tutta la sua vita prevista di 10 miliardi di anni. L’astronomia a raggi gamma offre opportunità uniche per esplorare questi oggetti esotici.
Esplorando l’Universo a queste alte energie, gli scienziati possono cercare nuova fisica, testare teorie ed eseguire esperimenti che non sono possibili nei laboratori legati alla Terra.
Se potessimo vedere i raggi gamma, il cielo notturno sembrerebbe strano e sconosciuto. La visione familiare di costellazioni costantemente brillanti verrebbe sostituita da esplosioni in continua evoluzione di radiazioni gamma ad alta energia che durano da frazioni di secondo a minuti, esplodendo come lampi cosmici, dominando momentaneamente il cielo dei raggi gamma e poi svanendo.
Conclusioni
È possibile che il materiale interstellare attorno alla stella in esplosione possa aver impedito ai raggi gamma di raggiungere il telescopio Fermi. Ma questo potrebbe anche significare che gli astronomi debbano cercare spiegazioni alternative per la produzione dei raggi cosmici.
A nessuno piace un bel mistero meglio degli astronomi, e scavare nella radiazione gamma mancante potrebbe alla fine dirci molto di più sui raggi cosmici e sulla loro provenienza.
Gli astronomi intendono studiare SN 2023ixf in altre lunghezze d’onda per migliorare i loro modelli dell’evento, e ovviamente terranno gli occhi aperti per la prossima grande supernova, nel tentativo di capire cosa stia succedendo.
