Si chiamano pevatron, gli acceleratori più potenti della galassia

La Via Lattea è ricca di acceleratori naturali di particelle molto più potenti delle pur eccellenti macchine acceleratrici costruite sulla Terra. Ora l’osservatorio cinese LHAASO ha individuato 12 regioni di cielo all’interno della nostra galassia che ospiterebbero questi potenziali super-acceleratori cosmici
di Matteo Serra
www.lescienze.it

Gli acceleratori di particelle terrestri, come il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra, oggi sono capaci di raggiungere energie del tutto impensabili solo fino a pochi decenni fa. Tuttavia in natura c’è chi riesce a fare ancora nettamente meglio: la nostra galassia, infatti, è ricca di acceleratori “naturali” le cui prestazioni sono molto più elevate rispetto a quelle, pur eccellenti, delle macchine acceleratrici costruite sulla Terra.

Una conferma arriva da un recente studio pubblicato sulla rivista “Nature” dai ricercatori dell’esperimento cinese Large High Altitude Air Shower Observatory (LHAASO), che hanno individuato in diverse zone della Via Lattea ben 12 sorgenti di raggi cosmici di energia elevatissima, dell’ordine del petaelettronvolt (PeV), pari a un milione di miliardi di elettronvolt: si tratta di un valore oltre 100 volte superiore alle massime energie raggiungibili nelle collisioni di LHC.

La scoperta rappresenta un passo avanti molto importante nell’ambito dell’astronomia ad altissime energie, ma non chiarisce ancora del tutto quali sia la reale natura degli oggetti astrofisici responsabili di queste violente emissioni di particelle, oggetti che gli scienziati chiamano “pevatron” in analogia con il Tevatron, l’acceleratore di particelle del Fermilab di Chicago.

La chiave per avere accesso ai segreti di questi misteriosi super-acceleratori naturali è nei loro “messaggeri”, ossia i raggi cosmici, particelle elettricamente cariche (principalmente protoni e nuclei atomici) che viaggiano nell’universo a velocità prossime a quella della luce. Riuscire a capire quale siano le regioni del cosmo da cui provengono, e che ospitano gli acceleratori naturali che li producono, è però molto complicato. Infatti i raggi cosmici, in quanto particelle cariche, interagiscono con i campi magnetici interstellari: la conseguenza è che la loro direzione di moto si modifica continuamente, rendendo sostanzialmente impossibile riuscire a identificarne l’origine.

C’è tuttavia un modo per aggirare l’ostacolo: una volta generati, spesso i raggi cosmici producono a loro volta fotoni gamma (radiazioni elettromagnetiche di alta energia) in seguito all’interazione con materia interstellare o campi elettromagnetici presenti nelle vicinanze. A differenza dei raggi cosmici, i fotoni gamma si muovono in linea retta nell’universo, giungendo indisturbati fino agli osservatori terrestri, che hanno così la possibilità di risalire in modo relativamente semplice alla regione di provenienza. Tipicamente questi fotoni gamma hanno un’energia pari a circa un decimo di quella dei raggi cosmici “genitori”: questo significa, quindi, che osservare un raggio gamma con energia pari o superiore a 0,1 PeV rappresenta una forte prova del fatto che l’acceleratore cosmico all’origine della catena sia proprio un pevatron.

Negli ultimi anni diversi telescopi terrestri, tra cui l’osservatorio HESS in Namibia e la collaborazione internazionale HAWC in Messico, hanno rilevato fotoni gamma con energie dell’ordine di 0,1 PeV. Tuttavia l’esperimento LHAASO, che ha avviato le sue attività nel 2019 operando per quasi tutto il 2020, rappresenta un importante salto di qualità, soprattutto grazie alla capacità di combinare diverse tecnologie di misurazione. La parte più consistente dell’osservatorio è composta dal Kilometer Square Array (KM2A), un insieme di oltre 5000 rivelatori (a cui se ne aggiungono più di un migliaio sotterranei per la rivelazione di muoni) che occupano una superficie di più di un chilometro quadrato sul monte Haizi, a oltre 4400 metri sopra il livello del mare nella provincia cinese di Sichuan.

Il sussulto del Granchio

I fotoni gamma sono osservati in modo indiretto: quando incontrano gli atomi dell’atmosfera terrestre, i fotoni producono uno sciame di particelle (principalmente elettroni, positroni e altri fotoni) che arrivano a Terra e possono venire osservati dalla rete KM2A. Ma non finisce qui, perché l’esperimento è dotato anche del Water Cherenkov Detector Array (WCDA), una grande vasca riempita con circa 80.000 tonnellate di acqua dove è possibile rilevare lo sciame di particelle cariche grazie all’effetto Cherenkov (fenomeno che prevede l’emissione di una caratteristica luce blu al passaggio di particelle cariche attraverso un mezzo, in questo caso l’acqua), e di 18 telescopi che osservano la luce Cherenkov e di fluorescenza prodotta dagli sciami direttamente in atmosfera.

L’intero impianto offre una notevole “potenza di fuoco” per osservare radiazioni di altissima energia, e i risultati si vedono. In quasi un anno di attività LHAASO ha rilevato oltre 530 fotoni di energia maggiore di 0,1 PeV: per uno di questi, in particolare, i ricercatori hanno registrato il valore record di 1,4 PeV, la più alta misura di energia mai osservata per un fotone.

“Si tratta di un esperimento molto importante, con una sensibilità mai raggiunta prima nel campo della misura da terra di raggi gamma di alta energia. I colleghi cinesi sono stati davvero rapidi ed efficienti a costruirlo in così poco tempo”, sottolinea Teresa Montaruli, docente all’Università di Ginevra, una delle poche istituzioni non cinesi incluse nella collaborazione LHAASO. “Questo studio conferma qualcosa che già si sospettava: la nostra galassia contiene degli acceleratori naturali potentissimi”.

di Natalie Wolchover/Quanta Magazine Sulla base delle direzioni di provenienza dei fotoni gamma, i ricercatori di LHAASO hanno individuato 12 regioni di cielo all’interno della Via Lattea che ospiterebbero i potenziali super-acceleratori cosmici. Tra le zone individuate ce ne sono alcune ben note e già identificate da esperimenti precedenti, come la nebulosa del Granchio (sito di un’esplosione di supernova osservata fin dall’anno 1054 e di una pulsar) e la costellazione del Cigno, una regione di formazione stellare distante 4600 anni luce dal Sole, che è proprio la zona da cui è arrivato il fotone più energetico. Tuttavia non mancano anche sorgenti più sorprendenti.

La distribuzione delle regioni di provenienza dei pevatron, se da un lato mostra che questi acceleratori naturali sono dislocati probabilmente un po’ ovunque nella nostra galassia, dall’altro infiamma il dibattito su quale sia la natura di questi oggetti. “L’ipotesi più probabile è che si tratti di esplosioni di supernova, fenomeni molto violenti che si verificano nella fase finale della vita di una stella. È un’idea che circola da molto tempo: già Enrico Fermi, poco dopo la seconda guerra mondiale, aveva ipotizzato che questi eventi potessero essere efficaci acceleratori di particelle. Tuttavia non è ancora chiarissimo in che modo le particelle prodotte possano raggiungere certi valori di energia”, riprende Montaruli.

Ma la rosa dei possibili candidati va oltre, includendo regioni di formazione stellare come quella individuata nella costellazione del Cigno: in questo caso a favorire l’accelerazione delle particelle potrebbe essere l’onda d’urto generata dai potenti venti stellari emessi dalle stelle massicce appena nate. E poi ci sono le pulsar – stelle di neutroni che emettono radiazioni elettromagnetiche a intervalli regolari – i cui intensi campi magnetici potrebbero accelerare le particelle fino a energie dell’ordine del PeV.

Il rebus non è ancora risolto, ma l’orizzonte aperto da questi esperimenti appare ricco di prospettive molto affascinanti. “L’astronomia gamma è uno strumento molto potente per l’osservazione di fenomeni violenti come la morte o il collasso di una stella, e può permetterci di indagare stati della materia simili a quelli dell’universo primordiale. Inoltre, queste osservazioni potrebbero anche contribuire a gettare luce su problemi aperti della fisica, come la natura della materia oscura”, spiega ancora Montaruli.

“Infine – prosegue la docente – si tratta di una ricerca che rientra a pieno titolo nell’ottica dell’astronomia multimessaggera. Per esempio, un altro esperimento su cui stiamo lavorando, IceCube, sta cercando neutrini prodotti dalle stesse sorgenti osservate da LHAASO: se li vedessimo otterremmo una conferma molto forte del fatto che abbiamo a che fare con acceleratori di raggi cosmici, perché solo questi ultimi possono produrre sia raggi gamma sia neutrini”.

E un’ulteriore spinta arriverà presto dai progressi nelle capacità osservative: un contributo importante giungerà dal Cherenkov Telescope Array, progetto che prevede la costruzione di due grandi reti di telescopi dedicati all’astronomia gamma di alta energia. Inoltre, lo stesso osservatorio LHAASO deve ancora essere completato e in futuro aumenterà ulteriormente la propria sensibilità. Tutto fa credere, insomma, che nei prossimi anni il numero delle scoperte crescerà e la lista dei potenziali acceleratori galattici diventerà sempre più lunga.