Molto, molto lontano, qualcosa – da qualche parte – sta creando particelle con quantità folli di energia. Qualunque cosa siano o da qualsiasi parte provengano, queste particelle possono essere qualsiasi cosa tra 1018 eV e 1020 eV. Dato che l’energia massima delle particelle al Large Hadron Collider del CERN è di circa 1013 eV, alcune di queste particelle sono un milione di volte più energetiche di qualsiasi altra cosa che possiamo modellare sul più potente acceleratore di particelle del pianeta. Molto semplicemente, sono le particelle più energetiche mai viste in natura.

Conosciute come raggi cosmici ad altissima energia (UHECR), queste particelle furono scoperte nel 1962. Sono i fratelli super-energetici dei raggi cosmici comuni o da giardino, che furono avvistati per la prima volta dallo scienziato austriaco Victor Hess durante una famosa serie di audaci voli in mongolfiera 50 anni prima. Ma mentre sappiamo molto sui raggi cosmici regolari, da cosa sono fatti gli UHECR, da dove vengono nei cieli e da cosa li accelera rimangono un mistero.

Fortunatamente, alcuni UHECR occasionalmente piovono sul pianeta Terra. Quando uno di questi raggi entra nell’atmosfera, si scontra con le molecole d’aria, che a loro volta bussano in altre particelle, causando un effetto a cascata fino al suolo. Il risultato è una pioggia di particelle distribuite su un’area larga 5 km sulla superficie terrestre. E grazie all’Osservatorio Pierre Auger in Argentina e al Telescope Array nello Utah, possiamo rilevare queste docce ed estrarre informazioni sui raggi cosmici stessi.

Entrambe le strutture sono costituite da una serie di rivelatori di superficie – nel caso di Auger, 1660 barili di grandi dimensioni ciascuno con oltre 12.000 litri di acqua distribuiti su 3000 km2. Quando una particella di una doccia vola in un rivelatore, crea un’onda d’urto elettromagnetica che viene captata dai tubi di rilevamento della luce montati sui serbatoi del rivelatore. I ricercatori possono quindi combinare queste informazioni con i dati di 27 telescopi punteggiati in tutta la matrice che raccolgono la luce a fluorescenza creata quando la cascata eccita l’azoto nell’aria.

Questa tecnica combinata produce una misura accurata del flusso, della direzione di arrivo e dell’energia degli UHECR. E l’anno scorso, come risultato di questo lavoro, i ricercatori di Pierre Auger hanno dimostrato inequivocabilmente che i raggi cosmici più potenti provengono dall’esterno della Via Lattea, non dall’interno della nostra galassia (Science 357 1266). Considerando che conosciamo i raggi cosmici da oltre un secolo, questa svolta può sembrare deludente e un po ‘ in ritardo. In realtà, però, riflette la sfida gigantesca che i ricercatori devono affrontare. I raggi cosmici con un’energia superiore a 1020 eV atterrano – in media – solo una volta per chilometro quadrato sulla Terra per secolo.

I raggi cosmici con un’energia superiore a 1020 eV atterrano – in media – solo una volta per chilometro quadrato sulla Terra per secolo

Di cosa sono fatti gli UHECR?

I dati raccolti nel corso di decenni dimostrano che i raggi cosmici a bassa energia-che sono per lo più protoni, nuclei ed elettroni – sembrano provenire da tutte le direzioni del cielo. Gli scienziati attribuiscono questa diffusione ai raggi deviati in tutte le direzioni dai campi magnetici che permeano la nostra galassia, il che esclude ogni speranza di azzerarsi direttamente sulla loro fonte. UHECR sono un’altra questione. Alimentano così bene i campi magnetici galattici che vengono deviati di pochi gradi. “Possiamo usarli come messaggeri astronomici per trovare direttamente le fonti”, spiega Ralph Engel, portavoce dell’Osservatorio Pierre Auger.

Durante una doccia d’aria UHECR, l’effetto cascata coinvolge sempre più particelle mentre la doccia attraversa l’atmosfera. Tuttavia, ogni interazione perde energia, il che significa che il numero di particelle di doccia inizia a diminuire, con solo una piccola frazione che raggiunge il suolo. Ma sapendo come la doccia d’aria si diffonde nell’atmosfera, i ricercatori Auger e Telescope Array possono simulare le interazioni delle particelle per dedurre dove nell’atmosfera la doccia era al suo apice. E combinando il valore di picco della doccia con l’energia della doccia misurata, possono dedurre la massa – e quindi l’identità – degli UHECR.

Quando gli scienziati di Auger hanno applicato questo metodo, si aspettavano che gli UHECR a più alta energia fossero semplicemente fatti di protoni. Invece, hanno trovato qualcosa di strano. Poiché l’energia degli UHECR è aumentata da 1018 eV a 1020 eV, così ha fatto la massa. ” Iniziamo con molti protoni intorno a 1019 eV”, spiega Engel. “Poi tutto ad un tratto, c’è un drastico cambiamento di elio e quindi elementi nella gamma di carbonio e azoto.”

L’aumento della massa dell’UHECR man mano che i raggi diventano più energetici è un problema sia per gli sperimentalisti che per i teorici. Ciò che è difficile per gli scienziati della Coclea è che gli UHECR più pesanti vengono deviati di più dai campi magnetici della Via Lattea, il che rende ancora più difficile calcolare la loro fonte. Per teorici come Vasiliki Pavlidou dell’Università di Creta, d’altra parte, il problema è più fondamentale: potrebbe sfidare la nostra intera comprensione della fisica delle alte energie. “Se le particelle primarie alle più alte energie stanno davvero diventando più pesanti, ci sono un paio di scomode coincidenze che dobbiamo accettare”, dice.

Secondo la saggezza convenzionale, i raggi cosmici sopra una certa energia perdono rapidamente energia mentre interagiscono con i fotoni nello sfondo delle microonde cosmiche, il che significa che l’energia degli UHECR visti sulla Terra dovrebbe essere limitata a circa 1020 eV. Tuttavia, se le particelle osservate stanno diventando più pesanti con l’energia, allora il processo astrofisico che sta accelerando i raggi cosmici in primo luogo – qualunque esso sia – deve essere in esecuzione vicino alla sua energia superiore. (Le particelle più leggere saranno quindi semplicemente troppo gracili per raggiungere quelle alte energie.) Il limite di energia UHECR 1020 eV è quindi governato da due processi completamente non correlati: come le particelle vengono accelerate alla loro fonte extragalattica e come perdono energia mentre viaggiano attraverso lo spazio interstellare. E ‘ la prima strana coincidenza.

La seconda coincidenza riguarda i raggi cosmici dall’interno della nostra galassia e quelli che provengono da altrove. Sembra che i raggi cosmici galattici smettano di essere osservati a 3 × 1018 eV – esattamente la stessa energia con cui i raggi cosmici extragalattici iniziano a diventare più pesanti con l’energia. È strano dato che i raggi cosmici galattici ed extragalattici provengono da fonti molto diverse (anche se non sappiamo ancora da dove provengano questi ultimi).

Dato che queste due coincidenze dipendono da processi e proprietà che non sono nemmeno vagamente correlate, perché stanno accadendo alle stesse scale energetiche? Una ragione potrebbe essere che queste coincidenze semplicemente non esistono. Questo sarebbe certamente il caso se i raggi cosmici extragalattici non diventano più pesanti con l’energia, ma sono sempre protoni; le coincidenze svanirebbero. In effetti, Pavlidou e il suo collega di Creta Theodore Tomaras ritengono che gli UHECR potrebbero essere principalmente protoni, l’unico intoppo che ci sarebbe dovrebbe essere un nuovo fenomeno fisico sconosciuto che colpisce le docce d’aria al di sopra di una certa energia.

Potrebbe sembrare stravagante, ma ci sono buone ragioni per non rifiutare l’idea a titolo definitivo. I fisici modellano il modo in cui le particelle nella doccia d’aria interagiscono in base alla loro comprensione del modello standard della fisica delle particelle, ma non è mai stato testato (nemmeno all’LHC) a energie così elevate. Inoltre, queste simulazioni sono molto inferiori a spiegare tutte le proprietà della doccia d’aria osservate. Quindi hai due scelte sgradevoli. O i raggi cosmici sono protoni e la nuova fisica li sta facendo apparire pesanti. O UHECR sono particelle pesanti e il modello standard ha bisogno di qualche serio ritocco.

Ma se gli UHECR sono protoni, capire come i protoni potrebbero essere mascherati da particelle più pesanti richiederà qualche pensiero alternativo. Una possibilità interessante è che la collisione iniziale del protone produca un mini buco nero, la cui esistenza è prevista da teorie con grandi dimensioni extra. ” Per il giusto numero di tali dimensioni possono effettivamente avere la massa desiderata”, spiega Tomaras. “I mini buchi neri decadono istantaneamente in un gran numero di adroni che condividono l’energia del buco nero, rendendo il protone primario “pesante”.”

Guardando il cielo da sotto l’acqua

un’Altra alternativa sarebbe quella di invocare l’esistenza di ancora sconosciuta fasi della cromodinamica quantistica (QCD) – la teoria che descrive come i quark sono tenuti all’interno dei protoni, i neutroni e gli altri adroni. Tomaras ammette, tuttavia, che questi sono scenari “esotici”. “Non abbiamo ancora scoperto grandi dimensioni extra”, dice, ” e abbiamo motivi per sospettare che la sezione trasversale di produzione dei mini buchi neri sarà molto probabilmente troppo piccola per servire il nostro scopo e, inoltre, non abbiamo ancora una solida comprensione quantitativa delle fasi di QCD.”Tuttavia, se le superfici di prova di UHECR sono protoni, Tomaras ritiene che sia “quasi inevitabile” che tali fenomeni esotici si verifichino in natura.

Cosa li accelera?

Lasciando da parte la mancanza di certezza che circonda ciò che UHECR sono, la domanda che conta davvero è: cosa li rende? Qui, l’immagine è ancora più confusa. Fino a poco tempo fa, alcuni fisici stavano esplorando idee esotiche conosciute come “modelli top-down” che vanno oltre il modello standard. L’idea è che oggetti sconosciuti ad alta energia come la materia oscura super – pesante – con masse 1012 volte più grandi della massa protonica-decadrebbero fino a particelle UHECR. La cattura con questi modelli è che suggeriscono che i raggi cosmici dovrebbero essere dominati da fotoni e neutrini, mentre i dati dell’Osservatorio Pierre Auger, dell’Array di telescopi e altrove suggeriscono particelle per lo più cariche. ” Nessuno cerca più di costruire modelli esotici del classico set-up top-down”, spiega Engel.

Anche se lo scenario esotico della materia oscura non è stato completamente escluso come fonte di UHECR, i ricercatori stanno più seriamente contemplando se eventi astrofisici estremamente violenti potrebbero invece essere responsabili di energie così elevate. Pulsar, lampi di raggi gamma, getti da nuclei galattici attivi, galassie starburst e altri sono stati proposti, con l’opinione popolare che ondeggia tra di loro.

Roberto Aloisio del Gran Sasso Science Institute in Italia ritiene che sul valore nominale i risultati di Auger – suggerendo particelle UHECR più pesanti alle più alte energie – siano uno sviluppo importante. ” È più facile accelerare i nuclei pesanti rispetto ai protoni perché i meccanismi di accelerazione sentono sempre la carica elettrica delle particelle – e i nuclei più pesanti dei protoni hanno sempre una carica elettrica più grande”, spiega. Di conseguenza, Aloisio suggerisce che Auger punta verso le pulsar come fonte di UHECR, che producono elementi più pesanti e potrebbero guidare queste particelle all’energia richiesta (Prog. Theo. Scad. Phys. 2017 12A102).

Attualmente, tuttavia, c’è un candidato che è più avanti di tutti gli altri come fonte di UHECRs. ” Se dovessi scommettere metterei sicuramente tutti i miei soldi in starburst galaxies”, dice Luis Anchordoqui della City University di New York, che è un membro del team di 500 Auger. Le galassie Starburst sono le più luminose dell’universo, formando stelle ad un ritmo furioso. Come Anchordoqui e colleghi ipotizzarono per la prima volta nel 1999, le galassie starburst vicine accelerano i nuclei verso energie ultraelevate attraverso uno sforzo collettivo, combinando numerose esplosioni di supernove nella regione centrale densa della galassia per creare un “supervento” di gas in uscita su scala galattica.

Man mano che questo vento si espande, diventa meno denso, rallentando il flusso fino alla velocità subsonica – in effetti, arrestando il progresso del vento stesso. ” Questo produce un’onda d’urto gigantesca, simile a quella prodotta dopo l’esplosione di una bomba nucleare, ma molto più potente”, dice Anchordoqui.

Fondamentalmente, questo processo di acceleratore di shock diffusivo, o DSA, può montare particelle di gas vicino alla velocità della luce. Le particelle guadagnano energia in modo incrementale essendo confinate da campi magnetici e attraversando e ricrossando il fronte d’urto. Girando intorno all’acceleratore astrofisico, questi piccoli aumenti di energia si accumulano fino a quando la particella raggiunge la velocità di fuga e vola nello spazio. Anchordoqui ha recentemente rivisitato il lavoro nel contesto delle ultime scoperte di Auger (Phys. D 97 063010).

La DSA, che non si verifica solo nelle galassie starburst, viene spesso invocata per spiegare l’accelerazione delle particelle proposta in lampi di raggi gamma, nuclei galattici attivi e altri candidati alla sorgente UHECR. Eppure, all’inizio del 2018, Kohta Murase ei suoi collaboratori della Penn State University hanno dimostrato che un diverso meccanismo di accelerazione potrebbe essere in gioco (Phys. D 97 023026).

Nel loro modello, i raggi cosmici ordinari esistenti in una particolare galassia ricevono un’enorme spinta di energia da potenti getti di nuclei galattici attivi, attraverso un meccanismo noto come accelerazione di taglio discreta. È un processo complesso che coinvolge l’interazione tra la particella, i disturbi locali nel campo magnetico e la differenza di velocità – o “taglio” – di diverse parti del flusso del getto e del bozzolo ambientale. Ma alla fine l’effetto è simile a DSA. ” I raggi cosmici guadagnano energia attraverso la dispersione avanti e indietro attorno al confine di taglio”, spiega Murase, dopo di che fuggono attraverso i lobi radio che si trovano spesso alla fine dei getti.

Ancora più recentemente, Murase e Ke Fang dell’Università del Maryland (Nature Phys. 14 396) rivisitato un’idea che potenti getti di buchi neri in aggregati di galassie potrebbero alimentare UHECR. Per cominciare, hanno confrontato il loro modello con i dati di flusso e composizione UHECR osservati da Auger, rivelando una buona corrispondenza con le osservazioni sperimentali. Ma più intrigante, hanno dimostrato che dettagliando come UHECR, neutrini e raggi gamma potrebbero essere tutti prodotti da nuclei galattici attivi, potrebbero spiegare i dati raccolti dall’Osservatorio di neutrini IceCube in Antartide, Fermi Gamma-ray Space Telescope e Auger contemporaneamente. ” La possibilità più bella è che tutte e tre le particelle messaggere provengano dalla stessa classe di sorgenti”, aggiunge Murase.

Da dove vengono?

Se sapessimo da dove provengono gli UHECR del cielo, il compito di scegliere quale fonte li ha prodotti sarebbe molto più semplice. Ma non esiste una cosa come” facile ” nella scienza dei raggi cosmici. Imperterrito, gli scienziati Auger e Telescope Array utilizzano cataloghi di potenziali oggetti candidati che potrebbero accelerare UHECR e quindi cercare di abbinarli con le direzioni di arrivo dei raggi cosmici che osservano. Man mano che arrivano sempre più dati, entrambe le strutture hanno identificato ciascuna un’area da cui sembra provenire una grande percentuale di questi raggi.

Nel caso di Auger, quest’area contiene un certo numero di galassie starburst, ma anche Centaurus A – la galassia gigante più vicina alla Via Lattea che ospita un nucleo galattico attivo. Per quanto riguarda l’Array del telescopio, il suo “punto caldo”, che si trova appena sotto il manico della costellazione dell’Orsa Maggiore, è un’indicazione ancora più chiara di una direzione di arrivo, con un quarto dei segnali UHECR rilevati provenienti da un cerchio di 40° che costituisce solo il 6% del cielo. Ma anche se la galassia starburst M82 risiede nel punto caldo, a circa 12 milioni di anni luce di distanza in Ursa Major, vari altri tipi di oggetti in quella zona di cielo potrebbe anche essere un luogo di nascita UHECR.

“La correlazione è nella direzione di M82 se vuoi dire che sono galassie starburst, o è la direzione di Centaurus A, se vuoi che siano nuclei galattici attivi”, dice Engel. “Anche se i dati si correlano meglio con le galassie starburst, ciò non significa che saranno le fonti.”

Proprio come non sappiamo cosa sono gli UHECR o cosa li accelera, così anche dove nel cielo hanno origine è avvolto dalla vista. Tuttavia, potrebbe non passare molto tempo prima di trovare la risposta. Gli aggiornamenti all’Osservatorio Pierre Auger e al Telescope Array sono in corso, mentre i ricercatori stanno esplorando nuove strutture, come la sonda dei satelliti POEMMA (Extreme Multi-Messenger Astrophysics).

Il mistero della massa e dell’origine di queste enigmatiche particelle potrebbe, entro un decennio, essere finalmente messo a nudo.