Cielo radio a bassa frequenza al momento di un raggio cosmico. Credito immagine: MPIFR. Clicca per ingrandire.
Utilizzando l'esperimento LOPES, un prototipo del nuovo radiotelescopio ad alta tecnologia LOFAR per rilevare particelle di raggi cosmici ad altissima energia, un gruppo di astrofisici, in collaborazione con Max-Planck-Gesellschaft e Helmholtz-Gemeinschaft, ha registrato il più luminoso e veloce esplosioni radio mai viste in cielo. Le esplosioni, il cui rilevamento è riportato nel numero di questa settimana della rivista Nature, sono lampi drammatici di luce radio che appaiono più di 1000 volte più luminosi del sole e quasi un milione di volte più veloci del normale lampo. Per un brevissimo momento questi lampi - che fino a quel momento erano passati in gran parte inosservati - diventano la luce più luminosa del cielo con un diametro doppio del diametro della luna.
L'esperimento ha mostrato che i lampi di radio sono prodotti nell'atmosfera terrestre, causati dall'impatto delle particelle più energetiche prodotte nel cosmo. Queste particelle sono chiamate raggi cosmici ad altissima energia e la loro origine è un puzzle in corso. Gli astrofisici ora sperano che la loro scoperta farà luce sul mistero di queste particelle.
Gli scienziati hanno utilizzato una serie di antenne radio e la vasta gamma di rilevatori di particelle dell'esperimento KASCADE-Grande al Forschungszentrum di Karlsruhe. Dimostrarono che ogni volta che una particella cosmica molto energetica colpiva l'atmosfera terrestre, un corrispondente impulso radio veniva registrato dalla direzione della particella in arrivo. Utilizzando tecniche di imaging della radioastronomia, il gruppo ha anche prodotto sequenze di film digitali di questi eventi, producendo i film più veloci mai prodotti in radioastronomia. I rilevatori di particelle hanno fornito loro le informazioni di base sui raggi cosmici in arrivo.
I ricercatori sono stati in grado di dimostrare che la forza del segnale radio emesso era una misura diretta dell'energia del raggio cosmico. "È sorprendente che con le semplici antenne radio FM possiamo misurare l'energia delle particelle provenienti dal cosmo", afferma il prof. Heino Falcke della Fondazione olandese per la ricerca in astronomia (ASTRON), che è il portavoce della collaborazione LOPES. "Se avessimo gli occhi sensibili della radio, vedremmo il cielo scintillare di lampi radio", aggiunge.
Gli scienziati hanno usato coppie di antenne simili a quelle utilizzate nei normali ricevitori radio FM. "La principale differenza rispetto alle normali radio è l'elettronica digitale e i ricevitori a banda larga, che ci consentono di ascoltare molte frequenze contemporaneamente", spiega Dipl. Phys. Andreas Horneffer, uno studente laureato dell'Università di Bonn e della International Max-Planck Research School (IMPRS), che ha installato le antenne come parte del suo progetto di dottorato.
In linea di principio alcuni dei lampi radio rilevati sono in effetti abbastanza potenti da spazzare via la ricezione radio o TV convenzionale per un breve periodo. Per dimostrare questo effetto, il gruppo ha convertito la sua ricezione radio di un evento di raggio cosmico in una colonna sonora (vedi sotto). Tuttavia, poiché i flash durano solo per circa 20-30 nanosecondi e i segnali luminosi si verificano solo una volta al giorno, sarebbero difficilmente riconoscibili nella vita di tutti i giorni.
L'esperimento ha anche mostrato che l'emissione radio variava in intensità rispetto all'orientamento del campo magnetico terrestre. Questo e altri risultati hanno verificato le previsioni di base fatte in precedenza nei calcoli teorici dal Prof. Falcke e dal suo ex studente di dottorato Tim Huege, nonché dai calcoli del Prof. Peter Gorham dell'Università delle Hawaii.
Le particelle di raggi cosmici bombardano costantemente la terra causando piccole esplosioni di particelle elementari che formano un raggio di materia e particelle di antimateria che si diffondono nell'atmosfera. Le particelle, elettroni e positroni carichi più leggeri, in questo raggio saranno deviati dal campo geomagnetico della Terra che li induce a emettere emissioni radio. Questo tipo di radiazione è ben nota dagli acceleratori di particelle sulla Terra e si chiama radiazione di sincrotrone. In analogia, gli astrofisici ora parlano della radiazione del “geosincrotrone” dovuta all'interazione con il campo magnetico terrestre.
I lampi di radio sono stati rilevati dalle antenne LOPES installate nell'esperimento KASCADE-Grande a getto d'aria cosmica a raggio nel Forschungszentrum di Karlsruhe, Germania. KASCADE-Grande è un esperimento leader per misurare i raggi cosmici. "Questo dimostra la forza di avere un importante esperimento di fisica astroparticellare direttamente nel nostro quartiere - questo ci ha dato la flessibilità di esplorare anche idee insolite come questa" afferma il dott. Andreas Haungs, portavoce di KASCADE-Grande.
Il radiotelescopio LOPES (LOFAR Prototype Experimental Station) utilizza antenne prototipo del più grande radiotelescopio del mondo, LOFAR, che sarà costruito dopo il 2006 nei Paesi Bassi e in parti della Germania. LOFAR ha un nuovo design radicale, che combina una moltitudine di antenne a bassa frequenza economiche che raccolgono contemporaneamente i segnali radio da tutto il cielo. Collegato da Internet ad alta velocità un supercomputer ha quindi la capacità di rilevare segnali insoliti e creare immagini di regioni interessanti sul cielo senza spostare alcuna parte meccanica. “LOPES ha raggiunto i primi importanti risultati scientifici del progetto LOFAR già nella fase di sviluppo. Questo ci rende fiduciosi che LOFAR sarà davvero rivoluzionario come avevamo sperato che fosse. " spiega il prof. Harvey Butcher, direttore della Fondazione olandese per la ricerca in astronomia (ASTRON) a Dwingeloo, Paesi Bassi, dove LOFAR è attualmente in fase di sviluppo.
"Questa è davvero una combinazione insolita, in cui fisici nucleari e radioastronomi lavorano insieme per creare un esperimento unico e altamente originale di fisica delle astroparticelle", afferma il dott. Anton Zensus, direttore del Max-Planck-Institut f? R Radioastronomie (MPIfR) in Bonn. “Apre la strada a nuovi meccanismi di rilevamento nella fisica delle particelle, oltre a dimostrare le capacità mozzafiato dei telescopi di prossima generazione come LOFAR e successivamente Square Kilometer Array (SKA). Improvvisamente si incontrano importanti esperimenti internazionali in diverse aree di ricerca ”
Come passo successivo, gli astrofisici vogliono utilizzare il prossimo array LOFAR nei Paesi Bassi e in Germania per la radioastronomia e la ricerca sui raggi cosmici. Sono in corso test per integrare l'antenna radio nell'Osservatorio Pierre Auger per i raggi cosmici in Argentina e forse più avanti nel secondo Osservatorio Auger nell'emisfero settentrionale. "Questo potrebbe essere un importante passo avanti nella tecnologia di rilevamento. Speriamo di utilizzare questa nuova tecnica per rilevare e comprendere la natura dei raggi cosmici a più alta energia e anche per rilevare neutrini ad altissima energia dal cosmo ”, afferma il Prof. Johannes Bl? Mer, direttore del programma di fisica astroparticellare dell'Associazione Helmholtz e al Forschungszentrum di Karlsruhe.
Il rilevamento è stato in parte confermato da un gruppo francese che utilizzava il grande radiotelescopio dell'osservatorio di Parigi a Nan? Ay. Storicamente, il lavoro sull'emissione radio dai raggi cosmici fu fatto per la prima volta alla fine degli anni '60 con le prime affermazioni di rilevamenti. Tuttavia, nessuna informazione utile potrebbe essere estratta con la tecnologia di questi giorni e il lavoro cessò rapidamente. Le principali carenze erano la mancanza di capacità di imaging (ora implementate dal software), la bassa risoluzione temporale e la mancanza di un array di rilevatori di particelle ben calibrato. Tutto ciò è stato superato con l'esperimento LOPES.
Fonte originale: comunicato stampa MPI
