Credito d'immagine: NASA
Gli astronomi credono che i lampi di raggi gamma, le esplosioni più potenti dell'Universo, possano generare raggi cosmici ad altissima energia, le particelle più energiche dell'Universo. Le prove raccolte dall'osservatorio disordinato Compton Gamma-Ray della NASA hanno mostrato che in un caso di esplosione di un raggio gamma, queste particelle ad alta energia hanno dominato l'area dando una connessione tra loro, ma questa è appena una prova sufficiente per dire che sono definitivamente collegate .
Le esplosioni più potenti dell'universo, i lampi di raggi gamma, possono generare le particelle più energiche nell'universo, note come raggi cosmici ad alta energia (UHECR), secondo una nuova analisi delle osservazioni dell'Osservatorio Gamma-Ray Compton della NASA.
I ricercatori riportano nell'edizione del 14 agosto di Nature di un modello recentemente identificato alla luce da queste esplosioni enigmatiche che potrebbero essere spiegate dai protoni che si muovono all'interno della velocità della luce di un capello.
Questi protoni, come schegge di un'esplosione, potrebbero essere UHECR. Tali raggi cosmici sono rari e costituiscono un mistero duraturo nell'astrofisica, apparentemente sfidando la spiegazione fisica, poiché sono semplicemente troppo energici per essere stati generati da meccanismi ben noti come le esplosioni di supernova.
"I raggi cosmici" dimenticano "la loro provenienza perché, a differenza della luce, sono sferzati nello spazio dai campi magnetici", ha dichiarato l'autore principale Maria Magdalena Gonzalez del Los Alamos National Laboratory nel New Mexico e una studentessa universitaria presso l'Università del Wisconsin. "Questo risultato è un'entusiasmante occasione per vedere eventualmente le prove della loro produzione alla fonte".
Le esplosioni di raggi gamma - un mistero che gli scienziati stanno finalmente iniziando a svelare - possono brillare in modo brillante come un milione di miliardi di soli, e molti possono provenire da un tipo insolitamente potente di stella che esplode. Gli scoppi sono comuni ma casuali e fugaci, durano solo pochi secondi.
I raggi cosmici sono particelle atomiche (ad esempio elettroni, protoni o neutrini) che si avvicinano alla velocità della luce. I raggi cosmici a bassa energia bombardano costantemente la Terra, spinti dai bagliori solari e dalle tipiche esplosioni di stelle. Gli UHECR, con ogni particella atomica che trasporta l'energia di una palla da baseball lanciata nelle Leghe Maggiori, sono cento milioni di volte più energici delle particelle prodotte nei più grandi acceleratori di particelle prodotti dall'uomo.
Gli scienziati sostengono che gli UHECR debbano essere generati relativamente vicino alla Terra, poiché qualsiasi particella che viaggia oltre 100 milioni di anni luce perderebbe parte della sua energia quando ci raggiungesse. Eppure nessuna fonte locale di normali raggi cosmici sembra abbastanza potente da generare un UHECR.
Il documento guidato da Gonzalez non si concentra in particolare sulla produzione UHECR ma piuttosto su un nuovo modello di luce visto in un lampo di raggi gamma. Scavando in profondità negli archivi dell'Osservatorio di Compton (la missione è terminata nel 2000), il gruppo ha scoperto che un'esplosione di raggi gamma del 1994, denominata GRB941017, appare diversa dalle altre 2.700 esplosioni registrate da questo veicolo spaziale. Questo scoppio fu localizzato nella direzione della costellazione della Sagitta, la Freccia, probabilmente a dieci miliardi di anni luce di distanza.
Ciò che gli scienziati chiamano raggi gamma sono fotoni (particelle di luce) che coprono una vasta gamma di energie, infatti, oltre un milione di volte più ampie delle energie che i nostri occhi registrano come i colori di un arcobaleno. Il gruppo di Gonzalez ha esaminato i fotoni a raggi gamma di energia superiore. Gli scienziati hanno scoperto che questi tipi di fotoni hanno dominato lo scoppio: erano in media almeno tre volte più potenti della componente a bassa energia e, sorprendentemente, migliaia di volte più potenti dopo circa 100 secondi.
Cioè, mentre il flusso di fotoni a energia inferiore che colpiscono i rivelatori del satellite ha iniziato a diminuire, il flusso di fotoni a energia superiore è rimasto costante. La scoperta non è coerente con il popolare "modello di shock di sincrotrone" che descrive la maggior parte delle esplosioni. Quindi cosa potrebbe spiegare questo arricchimento di fotoni di energia superiore?
"Una spiegazione è che i raggi cosmici ad alta energia sono responsabili, ma esattamente come creano i raggi gamma con i modelli di energia che abbiamo visto ha bisogno di molti calcoli", ha detto la dott.ssa Brenda Dingus di LANL, co-autore sul documento. "Terremo alcuni teorici impegnati a cercare di capirlo."
Un'iniezione ritardata di elettroni ad alta energia fornisce un altro modo per spiegare il flusso di raggi gamma ad alta energia inaspettatamente grande osservato nel GRB 941017. Ma questa spiegazione richiederebbe una revisione del modello standard di scoppio, ha affermato il co-autore Dr. Charles Dermer, un astrofisico teorico presso il US Naval Research Laboratory di Washington. "In entrambi i casi, questo risultato rivela un nuovo processo che si verifica nelle esplosioni di raggi gamma", ha detto.
Le esplosioni di raggi gamma non sono state rilevate originate entro 100 milioni di anni luce dalla Terra, ma nel corso degli eoni questi tipi di esplosioni potrebbero essersi verificati localmente. In tal caso, ha detto Dingus, il meccanismo che il suo gruppo ha visto in GRB 941017 avrebbe potuto essere duplicato vicino a casa, abbastanza vicino da fornire gli UHECR che vediamo oggi.
Altre esplosioni nell'archivio dell'Osservatorio Compton potrebbero aver mostrato uno schema simile, ma i dati non sono conclusivi. Il telescopio spaziale di grandi dimensioni Gamma-ray della NASA (GLAST), previsto per il lancio nel 2006, disporrà di rilevatori abbastanza potenti da risolvere i fotoni a raggi gamma di energia più elevata e risolvere questo mistero.
I coautori del rapporto Nature includono anche il dottorato di ricerca. lo studente laureato Yuki Kaneko, il dott. Robert Preece e il dott. Michael Briggs dell'Università dell'Alabama di Huntsville. Questa ricerca è stata finanziata dalla NASA e dall'Office of Naval Research.
Gli UHECR si osservano quando si schiantano nella nostra atmosfera, come è mostrato nella figura. L'energia della collisione produce una pioggia d'aria di miliardi di particelle subatomiche e lampi di luce ultravioletta, che vengono rilevati da strumenti speciali.
La National Science Foundation e collaboratori internazionali hanno sponsorizzato strumenti sul campo, come l'High's Fly's Eye nello Utah (http://www.cosmic-ray.org/learn.html) e l'Osservatorio Auger in Argentina (http: / /www.auger.org/). Inoltre, la NASA sta lavorando con l'Agenzia spaziale europea per posizionare l'Osservatorio spaziale dell'universo estremo (http://aquila.lbl.gov/EUSO/) sulla Stazione Spaziale Internazionale. La missione OWL proposta dovrebbe, dall'orbita, guardare verso le docce aeree verso il basso, osservando una regione grande come il Texas.
Questi scienziati registrano i lampi e prendono un censimento dello shrapnel subatomico, lavorando all'indietro per calcolare quanta energia ha bisogno di una singola particella per creare la cascata atmosferica. Arrivano a una cifra scioccante di 10 ^ 20 elettronvolt (eV) o più. (Per fare un confronto, l'energia in una particella di luce gialla è di 2 eV e gli elettroni nel tubo della televisione sono nel raggio di energia di mille elettroni volt.)
Queste particelle ad altissima energia sperimentano i bizzarri effetti previsti dalla teoria della relatività speciale di Einstein. Se potessimo osservarli provenire da un angolo remoto del cosmo, per esempio a cento milioni di anni luce di distanza, dovremmo essere pazienti - ci vorranno cento milioni di anni per completare il viaggio. Tuttavia, se potessimo viaggiare con le particelle, il viaggio è finito in meno di un giorno a causa della dilatazione del tempo di oggetti in rapido movimento misurati da un osservatore.
I raggi cosmici della più alta energia non possono nemmeno raggiungerci se prodotti da fonti distanti, perché si scontrano e perdono energia con i fotoni cosmici a microonde lasciati dal big bang. Le fonti di questi raggi cosmici devono essere trovate relativamente vicine a noi, a una distanza di diverse centinaia di milioni di anni luce. Le stelle che esplodono come esplosioni di raggi gamma si trovano entro questa distanza, quindi sono in corso intensi sforzi osservativi per trovare resti di scoppio di raggi gamma distinti dagli aloni di radiazione prodotti dai raggi cosmici.
Pochi tipi di oggetti celesti possiedono le condizioni estreme richieste per far esplodere particelle alle velocità UHECR. Se i lampi di raggi gamma producono UHECR, probabilmente lo fanno accelerando le particelle nei getti di materia espulsi dall'esplosione vicino alla velocità della luce. I lampi di raggi gamma hanno il potere di accelerare gli UHECR, ma i lampi di raggi gamma osservati finora sono stati remoti, a miliardi di anni luce di distanza. Ciò non significa che non possano accadere nelle vicinanze, entro la distanza di taglio UHECR.
Un contendente principale per i tipi di lampi di raggi gamma di lunga durata come GRB941017 è il modello supernova / collapsar. Le supernove si verificano quando una stella molte volte più massiccia del Sole esaurisce il suo combustibile, facendo collassare il suo nucleo sotto la sua stessa gravità mentre i suoi strati esterni vengono fatti esplodere in un'immensa esplosione termonucleare. I collapsar sono un tipo speciale di supernova in cui il nucleo è così massiccio che collassa in un buco nero, un oggetto così denso che nulla, nemmeno la luce, può sfuggire alla sua gravità all'interno dell'orizzonte degli eventi del buco nero. Tuttavia, le osservazioni indicano che i buchi neri sono mangiatori sciatti, espellendo materiale che passa vicino, ma non attraversa, i loro orizzonti di eventi.
In un crollo, il nucleo della stella forma un disco di materiale attorno al buco nero appena formato, come l'acqua che turbina attorno a uno scarico. Il buco nero consuma la maggior parte del disco, ma parte della materia viene fatta esplodere nei getti dai poli del buco nero. I getti attraversano la stella che sta collassando vicino alla velocità della luce, quindi perforano il gas che circonda la stella condannata. Quando i getti si schiantano contro il mezzo interstellare, creano onde d'urto e rallentano. Gli shock interni si formano anche nei getti poiché i loro bordi anteriori rallentano e vengono colpiti da dietro da un flusso di materia ad alta velocità. Gli shock accelerano le particelle che generano raggi gamma; potrebbero anche accelerare le particelle alle velocità UHECR, secondo il team.
"È come far rimbalzare una pallina da ping pong tra una pagaia e un tavolo", ha detto Dingus. “Mentre avvicini la paletta al tavolo, la palla rimbalza sempre più velocemente. In un lampo di raggi gamma, la paletta e il tavolo sono proiettili espulsi nel getto. I campi magnetici turbolenti costringono le particelle a rimbalzare tra i gusci, accelerandoli a quasi la velocità della luce prima che si liberino come UHECR. "
Il rilevamento di neutrini da esplosioni di raggi gamma confermerebbe il caso dell'accelerazione dei raggi cosmici da esplosioni di raggi gamma. I neutrini sono particelle elusive prodotte quando i protoni ad alta energia si scontrano con i fotoni. I neutrini non hanno carica elettrica, quindi indicano ancora la direzione della loro fonte.
La National Science Foundation sta attualmente costruendo IceCube (http://icecube.wisc.edu/), un rilevatore di chilometri cubi situato nel ghiaccio sotto il Polo Sud, per cercare l'emissione di neutrini dalle esplosioni di raggi gamma. Tuttavia, le caratteristiche degli acceleratori di particelle a più alta energia della natura rimangono un mistero permanente, sebbene l'accelerazione da parte delle stelle che esplodono che fanno esplodere i raggi gamma sia stata a favore sin da quando Mario Vietri (Università di Roma) e Eli Waxman (Weizmann Institute) lo hanno proposto nel 1995.
Il team ritiene che mentre altre spiegazioni sono possibili per questa osservazione, il risultato è coerente con l'accelerazione UHECR nelle esplosioni di raggi gamma. Hanno visto raggi gamma sia a bassa che ad alta energia nell'esplosione del GRB941017. I raggi gamma a bassa energia sono ciò che gli scienziati si aspettano che gli elettroni ad alta velocità vengano deviati da intensi campi magnetici, mentre i raggi ad alta energia sono ciò che ci si aspetta se alcuni degli UHECR prodotti nello scoppio si schiantano contro altri fotoni, creando una pioggia di particelle , alcuni dei quali lampeggiano per produrre i raggi gamma ad alta energia quando decadono.
Anche la tempistica dell'emissione di raggi gamma è significativa. I raggi gamma a bassa energia svanirono relativamente rapidamente, mentre i raggi gamma ad alta energia indugiarono. Ciò ha senso se due diverse classi di particelle - gli elettroni e i protoni degli UHECR - sono responsabili dei diversi raggi gamma. "È molto più facile per gli elettroni che i protoni irradiare la loro energia. Pertanto, l'emissione di raggi gamma a bassa energia dagli elettroni sarebbe più breve dei raggi gamma ad alta energia dai protoni ", ha detto Dingus.
L'Osservatorio dei raggi gamma di Compton era il secondo dei Grandi Osservatori della NASA e l'equivalente dei raggi gamma dell'Hubble Space Telescope e dell'Osservatorio a raggi X di Chandra. Compton fu varato a bordo dello Space Shuttle Atlantis nell'aprile 1991 e, a 17 tonnellate, era il più grande carico utile astrofisico mai pilotato in quel momento. Alla fine della sua missione pionieristica, Compton fu deorbito e rientrò nell'atmosfera terrestre il 4 giugno 2000.
Fonte originale: Comunicato stampa della NASA
