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Origine della radiazione cosmica

Nell’agosto del 1912, il fisico austriaco Victor Hess fece uno storico volo in mongolfiera che aprì una nuova finestra sulla materia nell’universo. Mentre saliva a 5300 metri, misurò il tasso di ionizzazione nell’atmosfera e scoprì che era aumentato di circa tre volte rispetto al livello del mare. Ha concluso che le radiazioni penetranti stavano entrando nell’atmosfera dall’alto. Aveva scoperto i raggi cosmici. Victor Hess vinse il Premio Nobel per la fisica nel 1936 per le sue pionieristiche ricerche nel campo della radiazione cosmica (Pacini era morto da due anni e dunque non più eleggibile). Werner Kolhorster effettuò ulteriori misure negli anni a seguire (1911-1914), fino all’altezza di 9 km, utilizzando palloni aerostatici, e confermò i risultati di Hess migliorandone la precisione.

hess raggi cosmici
Hess di ritorno dal suo volo in mongolfiera nell’agosto 1912

Queste particelle ad alta energia provenienti dallo spazio sono principalmente (89%) protoni – nuclei di idrogeno, l’elemento più leggero e comune nell’universo – ma includono anche nuclei di elio (10%) e nuclei più pesanti (1%), fino all’uranio. In media, una particella cosmica incide su ogni centimetro quadrato di superficie sulla Terra ogni secondo. Quando arrivano sulla Terra, entrano in collisione con i nuclei degli atomi nell’atmosfera superiore, creando più particelle, principalmente pioni. I pioni caricati possono decadere rapidamente, emettendo particelle chiamate muoni. A differenza dei pioni, questi non interagiscono fortemente con la materia e possono attraversare l’atmosfera per penetrare sottoterra. Il tasso di muoni che arriva sulla superficie della Terra è tale che circa uno al secondo passa attraverso un volume delle dimensioni della testa di una persona.

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Una microfotografia mostra dove gli elettroni ad alta energia hanno bruciato attraverso un’emulsione film situata in uno spettrometro all’esterno della camera target per i test del laser petawatt. Le tracce sono leggermente curve dall’emulsione leggermente incurvata nel suo supporto (Immagine: NASA / Marshall Space Flight Center e l’Università di Alabama a Huntsville)

Che energia hanno: I Raggi Cosmici hanno energie che variano in un intervallo molto ampio. La loro energia si esprime nell’unità di misura chiamata elettronvolt (eV) e va da circa 108 eV (ovvero 100 MeV) fino a 1020 eV, che corrisponde all’energia cinetica di una pallina da tennis lanciata a 100 km/h.

I Raggi Cosmici di energia più bassa sono i più numerosi, mentre il loro numero diminuisce all’aumentare dell’energia. Per esempio, il numero di raggi cosmici che arrivano sulla Terra con energia intorno a 1 GeV (=109 eV) è di circa 1 per m2 per secondo, ma diventa 1 per m2 per anno a 106 GeV e addirittura solo 1 per km2 per secolo alle energie più alte mai osservate (1020 eV).

Per questo motivo, è molto difficile riuscire ad osservare i Raggi Cosmici di energia elevatissima. Nonostante questa difficoltà, molti esperimenti cercano di rivelarli per poter rispondere alle domande ancora senza risposta: da dove vengono e da cosa sono prodotti?

Da dove vengono: Poiché i Raggi Cosmici sono dotati di carica elettrica, essi vengono deviati dai campi magnetici galattici ed extragalattici e dal campo magnetico terreste quando arrivano in prossimità della Terra. La loro direzione originaria viene modificata e per questo motivo non possiamo capire da dove essi hanno origine, se non forse alle energie più elevate (dato che la deflessione decresce al crescere dell’energia)

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La traiettoria di un Raggio Cosmico carico (1) viene deviata dal campo magnetico terrestre, mentre un Raggio Cosmico neutro (2) mantiene la direzione di provenienza.

Si pensa che i Raggi Cosmici, almeno quelli con energie fino a 1015 eV, vengano accelerati in seguito alle esplosioni di Supernovae nella nostra Galassia. Una esplosione di Supernova produce una fortissima onda d’urto che si propaga nel gas interstellare ed è in grado di accelerare le particelle e i nuclei anche ad energie molto elevate come quelle che vediamo nei Raggi Cosmici.  Per quanto riguarda i Raggi Cosmici di altissima energia, ancora non si è riusciti a scoprire la loro origine, ma moltissimi esperimenti sono in corso.

Come vengono rilevati: Quando i Raggi Cosmici entrano nell’atmosfera terrestre, collidono con i nuclei di cui essa è composta. In queste collisioni viene prodotto un gran numero di particelle che a loro volta interagiscono o decadono creandone delle altre. Il risultato è quello che viene chiamato “shower”, ossia una specie di doccia di particelle (Figura 3). Molte di esse, soprattutto elettroni, muoni, fotoni e neutrini, arrivano fino alla superficie terrestre e vengono chiamate Raggi Cosmici secondari per distinguerli da quelli primari che hanno colpito l’atmosfera.

Se vogliamo rivelare i Raggi Cosmici primari, dobbiamo usare esperimenti posti su satelliti in orbita, che riescono a “catturare” i Raggi Cosmici prima che essi interagiscano con l’atmosfera. Con questo metodo si riescono a rivelare bene i Raggi Cosmici fino ad energie non troppo elevate.  L’esperimento MACRO, in funzione ai LNGS dal 1989 fino a dicembre del 2000, attraverso lo studio della componente penetrante dei Raggi Cosmici, ha contribuito a chiarire la composizione, l’origine e i meccanismi di interazione dei Raggi Cosmici primari.

Quando l’energia aumenta e il flusso di Raggi Cosmici diventa molto basso, bisogna avere esperimenti di grande superficie, che per ovvi motivi non possono essere montati su satelliti. Per Raggi Cosmici di energia elevata si usano esperimenti sulla superficie terrestre o in laboratori sotterranei. Questi esperimenti rivelano i Raggi Cosmici secondari prodotti nell’interazione del raggio primario con l’atmosfera. Dalle caratteristiche dello “shower” di particelle si può ricavare l’energia e la direzione del raggio cosmico primario.

Gli esperimenti sotterranei possono rivelare solo i muoni e i neutrini secondari, in quanto queste sono le uniche particelle che possono arrivare in profondità sottoterra o sotto una montagna. La superficie dell’esperimento deve essere tanto più grande quanto più elevata è l’energia dei Raggi Cosmici che si vogliono rivelare. Per Raggi Cosmici di energia uguale o maggiore di 1020 eV servono esperimenti sparsi su una superficie grande quanto la provincia di Roma! Auger, a cui partecipano anche ricercatori dei Laboratori del Gran Sasso, è l’esperimento più grande al mondo dedicato allo studio dei Raggi Cosmici di alta energia.

I raggi cosmici delle supernove

I protoni ad alta energia che costituiscono la quasi totalità dei raggi cosmici che bombardano la Terra dallo spazio vengono accelerati dall’onda d’urto che si origina dalle supernove. Il processo era già stato ipotizzato, ma solo ora ne è arrivata la conferma sperimentale grazie al Large Area Telescope (LAT) montato a bordo del telescopio spaziale Fermi della NASA, che ha permesso l’osservazione nei raggi gamma dei resti di due supernove situate nella nostra galassia

Ora sappiamo con certezza qual è la loro origine, grazie a una nuova ricerca pubblicata sulla rivista “Science” e condotta da un’ampia collaborazione internazionale. Tra gli enti coinvolti, numerosi istituti di ricerca italiani: le sezioni dell’Istituto nazionale di fisica nucleare (INFN) di Roma, Milano, Torino, Bologna, Trieste, Pisa, Perugia, Padova e Bari e l’Istituto nazionale di astrofisica (INAF) (qui il comunicato congiunto di INFN, INAF e ASI).

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Quando una stella massiccia esplode come una supernova, l’onda d’urto accelera i protoni prodotti secondo un meccanismo ipotizzato per la prima volta da Enrico Fermi (Greg Stewart, SLAC National Accelerator Laboratory)

Il telescopio spaziale Fermi della NASA, dedicato alla rilevazione dei raggi gamma provenienti dal cosmo, ospita il Large Area Telescope (LAT), grazie al quale – dopo alcuni anni di osservazioni – si è riusciti a trovare la “pistola fumante” che ha confermato che i protoni dei raggi cosmici ricavano la loro energia dalle onde d’urto frutto delle esplosioni delle supernove.

Il risultato è stato ottenuto combinando osservazioni e conoscenze relative a diversi fenomeni e particelle: supernove, raggi cosmici, pioni e raggi gamma. Una supernova è l’esplosione di una stella massiccia giunta al termine del suo ciclo vitale ed è uno dei processi più energetici che si possano osservare nello spazio. Secondo quella che prima era solo una teoria ma che ora è stata confermata dalle osservazioni, una supernova

produce, tra l’altro, protoni che vengono poi accelerati dall’onda d’urto frutto della stessa esplosione. Questi protoni molto energetici, interagendo con il mezzo interstellare che circonda le supernove, producono altre particelle elementari chiamate pioni neutri. A loro volta, i pioni neutri decadono rapidamente in raggi gamma, cioè in una radiazione elettromagnetica molto energetica che può essere rilevata con speciali telescopi.

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Per riuscire a osservare la firma caratteristica dei pioni nella radiazione gamma, i ricercatori hanno analizzato i dati del telescopio Fermi puntato su due resti di supernove: IC 433 e W44, situate nella nostra galassia (NASA/DOE/Fermi LAT Collaboration)

In generale, nel cosmo i raggi gamma possono essere prodotti da diversi processi, perciò quando arrivano ai rivelatori terrestri o spaziali non è dato sapere quale sia la loro origine. Se però si puntano i telescopi, e i loro rivelatori, in zone in cui ci sono resti di supernove del passato è possibile trovare uno spettro energetico caratteristico, che dimostra che i raggi gamma sono stati prodotti dal decadimento dei pioni.

Stefan Funk e colleghi hanno osservato i resti di due supernove denominate IC 433 e W44, entrambe localizzate nella nostra galassia, rispettivamente a circa 5000 anni luce di distanza dalla Terra nella costellazione dei Gemelli e a 10.000 anni luce di distanza nella costellazione dell’Aquila. Analizzando i dati si è potuto evidenziare la firma caratteristica del decadimento del pione neutro nello spettro dei raggi gamma, che sono quindi, senza dubbio, una conseguenza di protoni accelerati delle due supernove.

Superbolle come origine: I raggi cosmici possono essere creati in cavità gassose ad alta temperatura: è questo il risultato di uno studio pubblicato su “Science” che potrebbe aver risolto almeno in parte un vecchio mistero dell’astrofisica, ovvero l’origine di queste particelle energetiche che bombardano incessantemente la Terra. Secondo la ricerca, regioni di spazio percorse da intensi venti stellari generati da esplosioni di astri giunti al termine del loro ciclo di vita, chiamate anche “superbolle”, potrebbero essere le principali sorgenti di raggi cosmici.

Grazie alle immagini ottenute con il Fermi Large Area Telescope della NASA, Isabelle Grenier, Luigi Tibaldo e colleghi di un’ampia collaborazione internazionale hanno mostrato che l’emissione di radiazione X da parte delle superbolle supera l’emissione di fondo prodotta in regioni più quiete del mezzo interstellare. Questi risultati, insieme con le misurazioni della composizione dei raggi cosmici, suggeriscono che essi siano prodotti e confinati all’interno delle superbolle.

La misurazione diretta dei raggi cosmici, la loro composizione, distribuzione isotopica e il loro spettro di energia sono fonti importanti di indizi per capire come sono generati e da dove provengono. Lo spazio però è attraversato da campi magnetici e dato che i raggi cosmici sono composti da particelle cariche, la direzione da cui arrivano raramente coincide con la direzione delle loro sorgenti. Ma gli strumenti che rilevano i raggi gamma puntano direttamente verso la sorgente che li produce. Le misurazioni dei raggi gamma quindi possono indicare specifici siti di accelerazione e, in alcuni casi, possono distinguere tra processi di accelerazione di elettroni e di adroni, la famiglia di particelle a cui appartengono i protoni.

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NASA/DOE/Fermi LAT/I. Grenier/L. Tibaldo

Grazie al Fermi Large Area Telescope i ricercatori hanno identificato la regione di origine dei raggi cosmici che si estende per 50 parsec (cioè 163 anni luce) dall’associazione Cygnus OB2, un ampio ammasso di più di 500 stelle, ciascuna delle quali ha una massa maggiore di 10 masse solari, fino a γ Cygni, una supernova giovane (di circa 7000 anni di età). I confini della regione sono invece caratterizzati dalla presenza di gas ionizzato compresso, identificabile mediante la rilevazione di radiazione infrarossa con lunghezza d’onda di otto micrometri. La stessa regione si è poi rivelata di emissione diffusa: gli spettri di energia delle diverse sottoregioni sono infatti confrontabili tra loro, permettendo di escludere la presenza di molteplici sorgenti singole.

Sorgente extragalattica dei raggi cosmici

Nel 2017 l’Osservatorio Pierre Auger, costruito in Argentina, ha individuato una regione dello spazio al di fuori della nostra galassia particolarmente attiva nell’emettere raggi cosmici, ovvero nuclei atomici, ad altissima energia.

Il Large Hadron Collider (LHC) del CERN di Ginevra è il più complesso e potente acceleratore di particelle costruito dall’uomo. Eppure la natura sembra poter fare decisamente meglio. I raggi cosmici, particelle costituite da nuclei di diversi elementi, dall’idrogeno al ferro, che incessantemente arrivano sulla Terra dallo spazio, possono avere singolarmente un’energia di diversi joule, cioè circa un milione di volte superiore rispetto ai 13 teraelettronvolt dei protoni accelerati da LHC.

Su “Science” i ricercatori della Pierre Auger Collaboration, che gestisce l’omonimo osservatorio situato in Argentina, il più grande mai realizzato per l’osservazione del raggi cosmici, hanno annunciato la scoperta di una regione di spazio particolarmente attiva nell’emettere particelle estremamente energetiche.

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Illustrazione di raggi cosmici che cadono sulla Terra e delle successive, molteplici interazioni con atomi e molecole dell’atmosfera, che generano una “pioggia” di particelle. (Credit: The Pierre Auger Observatory)

Rilevare queste particelle è come cercare un ago in un pagliaio, perché il loro flusso è estremamente basso. Se si prende come riferimento la soglia dei due joule, si calcola che sul nostro pianeta, in media, ne arrivi una per chilometro quadrato all’anno. Ciò significa che su un’area grande come un campo da calcio, dovremmo aspettarci di vederne meno di una nell’arco di un secolo. Fortunatamente, queste rare particelle sono rilevabili perché creano nubi di elettroni, fotoni e muoni, come esito delle molteplici interazioni con i nuclei che incontrano nel loro viaggio negli strati più alti dell’atmosfera terrestre.

Grazie alla sua schiera di 1600 rivelatori sparsi su un’area di 3000 chilometri quadrati nella parte occidentale dell’Argentina, ciascuno dei quali costituito da un serbatoio contenente 12 tonnellate di acqua, l’Osservatorio Auger è riuscito a determinare la distribuzione delle direzioni

di arrivo di più di 30.000 particelle cosmiche con energia oltre i due joule. Dall’analisi statistica dei dati è emerso che per questi raggi cosmici, il flusso proveniente da una certa direzione, che forma un angolo di 120° rispetto al nostro centro galattico, è del 6 per cento maggiore rispetto a quello proveniente dalla direzione opposta. La significatività statistica è risultata ben oltre i 5 sigma, quindi ben oltre il limite stabilito per poter annunciare una scoperta.

L’eccesso di raggi cosmici punta verso una direzione in cui la distribuzione delle galassie è relativamente elevata: ciò indica chiaramente un’origine extragalattica per le particelle, ma le vere sorgenti devono ancora essere individuate.

“Siamo ora molto più vicini a svelare un mistero di dove e come sono create queste straordinarie particelle”, ha spiegato Karl-Heinz Kampert, dell’Università di Wuppertal, in Germania, portavoce della collaborazione Auger, che coinvolge 400 ricercatori di 18 nazioni. “Le nostre osservazioni forniscono una prova stringente del fatto che il sito di accelerazione è al di fuori della Via Lattea”.

Un quarto dei raggi cosmici ad altissima energia rilevabili nell’emisfero settentrionale proviene da un’area assai ristretta del cielo boreale, appena al di sotto dell’Orsa Maggiore, e in corrispondenza di lontani superammassi di galassie. La probabile presenza di un analogo “punto caldo” di raggi cosmici anche nell’emisfero australe induce a pensare che alla loro origine vi siano meccanismi che coinvolgono la materia normale e non meccanismi esotici previsti da alcune teorie cosmologiche

Dall’Hotspot raggi ad altissima energia: Una piccola regione dello spazio vicina alla costellazione dell’Orsa Maggiore emette una quantità sproporzionata di di raggi cosmici ad altissima energia. La scoperta – realizzata da un gruppo internazionale di 125 ricercatori del progetto Telescope Array e descritta in un articolo in corso di pubblicazione sulle “Astrophysical Journal Letters” – contribuisce a chiarire quale sia la reale origine di questo enigmatico tipo di raggi cosmici. Il progetto Telescope Array è una collaborazione tra enti di ricerca di Stati Uniti Giappone, Corea del Sud, Russia e Belgio per la gestione di una rete di rivelatori di raggi cosmici costituita da 500 scintillatori e 3 impianti con rilevatori di fluorescenza disposti su un triangolo di 30 chilometri di lato, nel deserto di Millard County, nello Utah.

I raggi cosmici – che sono formati soprattutto da protoni, cioè nuclei di idrogeno, ma anche da nuclei di elementi più pesanti e particelle elementari – sono dotati di un ampio spettro di energie. Quelli a energia più bassa sono prodotti dal Sole, da altre stelle o da esplosioni di stelle. Tuttavia ci sono raggi cosmici ad altissima energia sulla cui origine non vi è ancora chiarezza. I raggi cosmici sono considerati ad altissima energia se questa è superiore a un miliardo di miliardi di elettronvolt, dove l’elettronvolt è un’unità di misura dell’energia, o della massa, delle particelle. Un elettronvolt corrisponde all’energia acquisita da un elettrone che nel vuoto si sposta fra due punti fra i quali vi sia una differenza di potenziale di un volt.

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La mappa del cielo settentrionale mostra le concentrazioni di raggi cosmici, con un hotspot dal numero sproporzionato di raggi cosmici. (Cortesia Kazumasa Kawata, University of Tokyo Institute for Cosmic Ray Research)

Tutti i raggi cosmici ad altissima energia che arrivano sulla Terra hanno origine al di fuori della Via Lattea (che ha un diametro di 100.000 anni luce circa), ma la loro fonte deve trovarsi entro un raggio di 300 milioni di anni luce dato che, per quanto potenti, questi flussi di

particelle provenienti da distanze maggiori sono notevolmente indeboliti dall’interazione con la radiazione cosmica di fondo a microonde, il debole “bagliore” residuo del big bang. Quanto ai meccanismi che li producono, le ipotesi sono molteplici, e si va dai nuclei galattici attivi, alle onde d’urto di collisioni di galassie fino al decadimeneto di singolari “agglometrati” previsti da alcune teorie.

Nel nuovo studio John Matthews, dell’Università dello Utah, e colleghi hanno esaminato i raggi cosmici a energia ultra-elevata, registrati fra il maggio 2008 e il maggio 2013 dal Telescope Array, che monitora il cielo boreale, concentrandosi su quelli con un’energia superiore a 57 miliardi di miliardi di elettronvolt. Questa soglia è stata scelta perché al di sopra di essa la traiettoria dei raggi cosmici è deviata solo in misura minima dai campi magnetici spaziali, permettendo così di ottenere indicazioni sulla direzione delle fonti di questi flussi di particelle. Nel corso dei cinque anni, sono stati rilevati solo 72 raggi cosmici di questo tipo, oltre un quarto dei quali, 19 per la precisione, provenienti da un’area pari ad appena il 6 per cento del cielo settentrionale.

Considerato che le osservazioni eseguite da parte dell’osservatorio di raggi cosmici Pierre Auger in Argentina sembrano indicare l’esistenza di un analogo “punto caldo”, anche nel cielo dell’emisfero meridionale, i raggi cosmici di questi “punti caldi” devono provenire da fonti diverse.

Inoltre, la distribuzione dei raggi cosmici ultra-energetici nel cielo settentrionale risulta coerente con la “struttura su larga scala” dell’universo, ossia i raggi cosmici tendono a provenire da zone dell’universo dove la materia è concentrata in ammassi e superammassi di galassie.

“Questo ci dice che è probabile che provengano da materia che possiamo vedere – osserva Charlie Jui, che ha partecipato alla ricerca – e non da una diversa classe di meccanismi che potrebbero produrre queste particelle con i processi esotici”, come quelli previsti da alcune teorie cosmologiche.

Riferimenti e approfondimenti

  1. Alessandro De Angelis, L’enigma dei raggi cosmici, Milano: Springer, 2012.
  2. Alessandro De Angelis, «Gli enigmi dei raggi cosmici», Le Scienze n. 528 (agosto 2012), pp. 70–77.
  3. Bruna Bertucci, «I raggi cosmici», Le Scienze n. 494 (ottobre 2009), pp. 64–71.
  4. Bruno Rossi, I raggi cosmici, Torino: Einaudi 1971.

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